浅谈我国电驱动精量排种器研究进展*

张 惠 ， 潘 峰 ， 纪 超 ， 陈金成

（1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2.农业农村部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000）

作为播种机的核心单元，排种系统的性能优劣决定着播种效率、质量、便捷性等多项作业指标。为提升播种机械化技术水平，我国相关领域学者对排种系统展开了长期深入的探索与实践研究。本文从精量排种器的结构形式、工作原理及各类精量排种器直流电机驱动形式三个角度对排种系统进行综述，针对现存问题提出建议并展望发展趋势，旨在为高端精量播种技术及装备的研究提供参考。

1 电驱精量排种器

1.1 机械式电驱精量排种器

机械式电驱精量排种器的优点是结构简单、成本低，但播种精度低[1]，主要有槽轮式、窝眼轮式和勺轮式以及指夹式等机型。机械式精量排种器对种子大小、形状要求严格，主要适用于玉米、大豆等种子的播种[2]。机械式排种器利用其型孔将种子从种箱中分离出来，充种、清种和排种等环节靠种子自重或机械装置来完成，当提高排种频率时，容易出现重播、漏播和种子破碎等现象，限制了机械式排种器作业效率的提高[3]。

槽轮式排种器是应用比较广泛的一种机械式电驱精量排种器，有内槽轮式和外槽轮式之分，其核心部件是槽轮，槽轮上都带有凹槽用来充种。内槽轮式排种器的槽轮是一个内缘带凸棱的圆环，外槽轮式排种器的槽轮是一个外缘带齿轮的圆盘。外槽轮式较内槽轮式排种器应用更为广泛，如台沭云等[4]设计的一种倾斜外槽轮上排种式排种器，其槽齿的副工作面倾斜于一边（槽轮转速方向那一侧），即如同在型孔前开设一个导槽，有利于种子充满凹槽，同时还不易卡种。该槽轮充种性能和排种性能均较理想，对种子损伤率低。金亦富等[5]设计了一种单行独立外槽轮式电控排种器，其电机通过联轴器和啮合轴与外槽轮连接，电机转速决定外槽轮转速。由于阻塞轮与外槽轮同轴同径，所以可以通过改变阻塞轮的轴向位置来改变外槽轮有效工作长度，解决半幅播种手动插板停行、漏播监督、及时补种等问题。

1.2 气力式电驱精量排种器

由于气力式排种器具有对种子形状尺寸要求低、通用性好、更易于高速精量作业等优点[6]，加上随着我国农机自动化与信息化技术的不断发展，自动导航、播种作业监控、高速电驱播种等技术植入精量播种机[7-8]，所以气力式电驱精量排种器一直是国内外学者研究的热潮。

气力式电驱精量排种器根据压力差产生的来源不同，分为负压式和正压式两种排种器。依照刮种方式的不同，正压式电驱精量排种器又有气压式、气吹式之分。

1)将25个鸡蛋放在一个自制的25个格子的蛋盘中(格子的大小与分割图像的设置参数对应)，同时每个鸡蛋都对应一个透光孔；将鸡蛋放在海绵上，尽量保证鸡蛋与透光孔对齐无缝隙。

负压式精量排种器又叫气吸式精量排种器，是当前运用最广泛的一种精量排种器，尤其用在玉米播种机上[9]；随着国内外对其研究的深入，出现了多种不同结构的排种器，但其工作原理基本一致，其带有取种孔（型孔）的齿形排种盘的一边是真空室，真空室与软管连接到风机，另一边连接到充种室，充种室与种子相接触。当风机转动，吸种室被抽成真空产生负压，齿形排种盘两侧便产生压力差，排种盘外圆与电机的驱动齿轮啮合；通电后电机带动排种器转动，排种盘转到吸种区，负压室两侧的压差使种子被吸附在型孔上，随齿形排种盘一起运转到刮种区，多余的种子被刮掉，一个型孔只留一粒种子[9-10]；转到卸种区时，吸有种子的型孔离开真空室，种子不再被吸住，随即落入种沟，完成排种。

1.2.1 负压式电驱精量排种器

吴福通[11]、李明等[12]、李兆东等[13]先后设计了多种结构的气吸式精量排种器，如气吸圆盘式精量排种器，利用独立吸种区和正压投种区，解决种孔堵塞及种粒破碎问题；再如气吸滚筒式精量排种器，在气吸滚筒上增设多排吸种孔，可一器多行精量排种。曹秀龙等[14]设计了一种气吸滚筒式穴盘育苗精密排种器，应用Fluent软件模拟分析滚筒内壁和吸种孔与正压气室的流场特征，优选正压进气孔间距参数，并创新设计了一种带凸起的吸种帽及倒U型清种结构，利用光电传感器和正压投种机构实现同步整排投种。崔东云[15]针对气吸式小麦排种器排种性能不稳定、充种效果差等问题，研究了PWM电液比例控制的气吸式小麦精量排种装置，建立PWM电液比例控制系统模型和垂直双吸盘排种器的几何模型，并进行了仿真与试验研究，得到了最佳排种效果。张禹等[16]设计的一种水稻播种覆膜一体机所采用的排种器就是气吸式排种器。仿真结果表明，该排种器能够实现旱田覆膜和精准播种一体化，提高劳动效率。

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气压式电驱精量排种器有两种，一种是集中式排种，其利用种子重力和刮种器刮种，再利用压差携带种子至投种区[17]，该排种器可同时播6~8行作物[18]，是一个内充型的回转排种筒，其筒内壁的窝眼小孔连通筒外，属集中式排种。气流流经排种筒、接种漏斗、输种管，最后流入排种筒，封闭的排种筒内气压高，由于压力差，种粒贴附在窝眼内，压差较小的多余种子随着排气筒上升被清除（毛刷刷除），弹性卸种轮堵住窝眼小孔，种粒由于没有了压力差而掉入接种漏斗，进入输种管，随气流流入各自的种沟内；另一种气压式电驱精量排种器，其充种原理与集中式相同，不同的是排种圆盘，它是一行作物对应一个排种器，还有一点不同于集中式：利用种粒自重卸种，降低伤种率，同时该排种器可降低投种高度，提高株距合格率。

谢宇峰等[19]研制的气力式集中排种器采用的是气压式精量排种器，其不同的排种环带适应不同作物，并做了排种器性能试验，得出最优参数组合：真空压力0.005 5 MPa、排种盘转速0.25 r/s、吹种风速44 m/s。李中华等[20]设计了一种正压式气送免耕播种机，采用气压式精量排种器，并进行了排种试验，证明该排种器排种均匀性和通用性较好，对苜蓿、披碱草和玉米均可较均匀排种，且达到行业标准要求。

步进电机是将脉冲信号转化成固定角度位移的电气元件，需专用的控制器通过控制脉冲频率调节电机转速及加速度，其控制精度高、响应灵敏。针对机械式播种机的振动导致播种质量不高的问题，Jiang等[25]基于DSP开发了步进电机位置控制的控制器，有效地减少了不同步情况的发生，并通过光电编码器检测电路，实现对步进电机位置的精确控制。Yang等[26]设计了一款玉米播种机的开环控制和驱动系统，采用步进电动机和齿轮传动驱动排种器，提高了排种盘转动的稳定性。张振涛[27]通过步进电机直接驱动排种器的方式，相较于机械式降低了玉米播种漏播率、重播率和变异系数，实现了高速作业下玉米播种株距的均匀性和任意调节。孟杰等[8]将步进电机动力通过两段链条传递给排种器的方式使花生播种合格率达98%以上。由于步进电机控制器可配置脉冲细分模式实现速度的精细控制，同时结合编码器、卫星测速等高精度传感器，利用速度闭环控制算法，可以很好地解决小麦[28-29]、谷子[30]、辣椒[31]等小粒径种子的精量播种问题。

气吹式电驱精量排种器是在窝眼轮式排种器的基础上利用气流清种，种粒在重力和气压差的作用下充入排种盘的锥形通孔内[21-22]，排种器主要由型孔轮、气流喷嘴、推种板等组成，型孔轮轮周均匀分布着锥形通孔。充种区的种粒借助重力和气流压差作用，吸附在取种盘，进入排种盘型孔窝眼中，当转到清种区时，气流嘴清除多余的种粒，此时，型孔内只有一粒种子，种子继续随取种盘转动到护种区，气压消失，种子利用重力和推种片，最后排出掉进种沟。

1.2.3 气吹式电驱精量排种器

沈永宁[23]研制的2BJ-16型气力式精量播种机，采用气吹式精量排种器，工作过程中气吹式清种与气力式充种相结合，以适应真空室风压的波动性，适用于播种多种作物。李成华等[24]对气吹式倾斜圆盘精量排种器的结构和工作原理进行了研究与分析，经试验得出单粒指数和漏播指数的主要影响因素：排种盘型孔的直径和深度。

2 精量排种器电机驱动形式

2.1 步进电机驱动

1.2 市场优势 烟台作为重要的樱桃生产基地，我国各省各地的销售的樱桃大部分都来源于山东烟台，特别是福山区。由于樱桃的自然特性加上运输的局限性使的樱桃在其他地方的售价相对较高。随着冷链物流的发展，福山大樱桃在我国内陆地区的市场巨大。烟台地处胶东半岛，地理位置优越，与渤海黄海濒临，与日韩隔海相望，占据了十分有利的出口位置，特别有利于福山大樱桃的海外销售。所以，无论是海内市场还是海外市场都拥有广阔前景。

1.2.2 气压式电驱精量排种器

2.2 直流伺服电机驱动

直流伺服电机是相较于步进电机更加精密的一种执行元件，可以实现位置、速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步的问题。王方艳等[32]利用直流伺服电机启动转矩大、调速范围宽、控制方式灵活、抗速度过载和转矩过载等特点，开发了一种适用于温室胡萝卜精量播种的气吸式排种器。苑严伟等[33]针对不同地区玉米播种农艺，采用伺服电机作为执行机构，并选配1∶50速比的减速机用于驱动排种轴，实现了播种粒距的自动调节。贾昊等[34]设计的基于电机直驱的玉米播种机控制系统，能够避免地轮滑移现象，并且随亩播量变化而实现株距的动态自适应。

2.3 直流电机驱动

直流电机按照结构和原理可分为直流有刷电机和直流无刷电机，均可利用脉冲调制技术实现变电压无级调速。直流电机结构简单、价格低廉、易于控制，且可根据实际部署需求实现控制器系统的高度集成。因此，基于直流电机的精量播种驱动方式得到国内外学者的广泛研究，且目前已有相应的机具得到推广应用。He等[35-36]根据田间条件，针对直流无刷电机开发的变量播种控制算法可显著降低播种滞后距离，其播种单体控制单元成本仅为国外产品的28%。利用前期开发的单体控制单元，进一步利用无刷直流电机配合卫星导航定位算法，有效地解决了播种机转向时横向速度差异造成的播种率不准确的问题[37]。赵晓顺等[38]开发的基于直流无刷电机驱动的模糊控制器，可实现玉米等作物的单粒精播和小麦等作物的精量条播。杨硕等[39]采用直流有刷电机实现了玉米气吸排种器的总线控制，并解决了快速适应多类型排种器排种控制的问题。为进一步研究多路玉米单体的同步独立电驱控制，Chen等[40]在姚颍飞等[41]的研究的基础上，利用排种器外周加工的齿轮与直流有刷电机减速器齿轮啮合，增加电机的驱动力矩，大大地降低了所选电动机驱动的转矩。实现了18路玉米高速（大于10 km/h）精量单体的独立同步控制，且研制的相关产品已得到推广应用。

本文通过对现阶段我国地面气象观测工作在现代农业中的应用进行研究可以发现，只有提高气象观测的针对性，才能有效的促进我国现代农业的进一步发展。

采用步进电机、伺服电机或直流电机驱动精量播种机排种器，可实现播种单体的独立控制及排种器转速与作业速度匹配，有效保障高速作业下播种质量的粒距一致性。但目前国内电机驱动相关研究主要围绕传统机械上的改装，并以中心轴安装或电机独立安装的方式，通过直接或链条间接驱动排种器转动，因此机械结构不紧凑，集成度不高，能耗较大。在今后的研究中，电机驱动和机械布局应统筹考虑，一体化设计。以减阻耐磨和小型低功率电机应用为目标，创制轻质、耐磨新材料，优化机械结构，降低传动阻力，以期实现小型直流电机的适配应用。

3 讨论与展望

近年来，精量播种技术快速发展，智能化水平有所提高，但精量播种产品，尤其是电驱动精量排种器相对国外还比较落后。综合国内研究现状，从以下三个方面对当前存在的问题进行讨论。

1）排种器的结构对种子适应性较差。目前排种器的结构大多是根据种子的形状设计的，适应性较差，需继续优化其结构参数，尽可能地提高排种器对不同形状的适应性，同时加大对气吸集排式排种器的研究，以满足宽幅度播种作业的要求。

2）尚未建立电驱式精量播种机质量的评定标准。由于电驱式播种机在传动特性上要优于机械式传动，如果依旧采取机械式排种器的评价标准，难以保证成型产品的质量，故需制定相关的技术标准和性能评价标准，设计出适合我国国情的高性能播种机，尽快缩小我国与发达国家精量播种技术的差距。

3）从农业发展的实际需要考虑，精量播种技术仍会以提高排种效率和精度、排种设备的稳定性和可靠性为出发点。从技术层面上来说，我国在排种智能化的技术研究方面处于起步阶段，随着我国新型材料、制造精度和加工工艺等的发展，北斗定位系统的广泛应用，带有自动导航和播种作业监控设备、能够根据农艺信息决策变量播种的高速高精度精量排种技术是我国精量排种器的未来发展方向。