电驱动高速精密播种技术的研究与发展

2023-07-06侯云涛

中国农业文摘·农业工程 2023年4期

侯云涛

摘要：【目的】为我国电驱动高速精密播种技术的研究和应用提供启示和借鉴。【方法】针对排种器的不同驱动方式、排种器直流电机驱动的基本形式、排种盘转动速度和机具行进速度的测量、排种器驱动电机的控制策略四个方面进行了详尽分析，阐述了高速精密播种技术的应用现状、研究方向和发展趋势。【结果】随着高速精密播种技术的进步，传统的排种器驱动模式已经不能够满足现代播种作业的要求，嚴重影响株距均匀性，并且其误播率较高，大大制约了农作物产量和质量的提升。【结论】排种器直流电机驱动能够满足高速精密播种模式中精度高、可靠性强的作业目标，因此，作为传统的排种器驱动模式的替代方案，应当大力加强电驱动高速精密播种技术的研究，相关产品应当在农业生产中得到重点推广和应用。

关键词：高速精密播种；电机驱动；研究；发展

引言

根据统计数据显示，2021年国内农业作物的机械播种率达到了60.22%，这表明播种机械在农业生产中发挥了显著的作用。高速播种技术在提高播种质量、节约种子用量、提高施肥效率等方面具有明显的优势。因此作为高效、高品质技术，越来越受到人们的关注和研究[1]。

2015年，意大利Maschio Gaspardo推出了Gaspardo Gigante，它是第一台使用电动驱动排种器技术的旋耕播种机。2016年，约翰迪尔推出了一款新的高速播种机，称为MaxEmerge 5e。它可以在每秒10英尺的速度下播种，采用电动驱动系统和智能化控制系统[2]。2018年，德国Lemken公司发布了Solitair 25，可以在高速下播种多种农作物。2020年，日本的Kubota公司推出了一款电驱高速播种机，它可以在每秒5.5英尺的速度下播种小麦、大豆和玉米等作物。可以看出，排种器电驱作为高速精密播种机的产品级配置已经开始在发达国家的播种作业过程中得到了应用[3]。目前我国的电驱式高速排种器技术仍处于研究和试验阶段。

1 高速播种机的优势

1.1 能够提高作业效率

使用高速排种技术，能够以超过14km/h速度精准地完成播种。这一工作速度比大多数传统播种机的播种速度快2倍以上[4]。相较于使用同等数量的常规播种机，使用高速播种机等同于每日可增加1倍的工作面积，这有效地促进了农民扩大种植规模。

1.2 能够节约投入成本

高速播种机的播种作业速度要比传统播种方式的作业速度快得多，可以在较短时间内完成大面积的播种作业，显著提高生产效率。高速播种机可以根据设定的作业参数进行精确播种，避免种植密度不均匀，减少漏播和重播的情况，从而减少种子的使用量，节约成本。

1.3 能够克服气候影响

高速播种机可以通过快速、准确的种植方式缩短种植期，在恶劣的气候条件下，种植时间可根据需要作出相应的调整[5]。等待天气状况好转后再行种植，依然能够保证按期播种，不误农时。

1.4 能够促进丘陵山区播种装备发展

高速播种机可以通过减少播种单体数量的方式缩小整体的外形尺寸，但却不会影响作业效率，达到了增强机器的机动性、适应能力和稳定性的目的。这样的优势使高速播种机可以在相对较窄的丘陵田间道路上行驶，从而有效地促进丘陵山区自动化播种技术的应用和推广，从而提高该地区播种作业的机械化水平。

2 高速播种机排种器的驱动形式

2.1 排种器地轮驱动

在这种驱动方式中，拖拉机提供动力，将驱动力传递给排种器的有级变比传动机构，再由传动机构将动力传递给排种器。这种传动方式能够根据作业需要和田地地形的不同，调整传动比例和轮子转速，确保牵引机具的前进速度与排种器中排种盘的转动速度保持同步，播种粒距通过计算圆整数据进行相关的调整。

排种器地轮驱动模式存在一些缺点，其中最明显的是当地面湿滑或者地形崎岖时，地轮容易出现滑移，排种器可能会因速度变化而使播种量不均匀，从而影响精密播种的株距合格率。尤其是对于需要较高精度的播种作物（例如蔬菜等），株距会影响作物的产量和品质。此外，地轮驱动模式还存在其他一些问题，例如地形不平时的颠簸、道路狭窄时的操作困难等。为了解决这些问题，有些现代化的排种器使用液压或电动驱动系统，而不是地轮驱动系统，以提高播种的精确性和稳定性。

2.2 排种器机械变速器驱动

排种器机械式无级变速器驱动模式是一种通过机械传动实现无级变速的方式。该驱动模式采用机械传动，通过变速器的离合器、主从齿轮和锥齿轮等部件，实现拖拉机引擎的动力传递到排种器的驱动轴上，并通过机械式无级变速传动机构调节排种器排种盘的转动速度。

这种驱动模式具有调速精度高、稳定性好、低速性能优秀等优点，且相比液压或气压马达驱动，机械式无级变速器驱动的排种器尺寸较小。排种器机械式无级变速器驱动模式的缺点是传动结构较为复杂，需要采用较多的齿轮、链条等传动件，导致成本较高。此外，机械式无级变速器的调速范围有限，一般无法达到液压或气压马达伺服驱动方式的调速范围，也存在调速精度不高的问题。

2.3 排种器液压马达或气压马达伺服驱动

排种器液压马达或气压马达伺服驱动模式是指通过安装液压马达或气压马达来驱动排种器，实现种子的精准定量和高效排种。其工作原理是，液压马达或气压马达通过传动轴将动力传递给排种器，控制排种器的转速和排种数量，从而实现精确的种植。

与地轮驱动模式相比，液压马达或气压马达伺服驱动模式具有更高的精度和稳定性，可以避免地轮滑动对播种精度的影响。此外，液压马达或气压马达伺服驱动模式可以实现自动化控制和可编程功能，方便农民根据不同作物和地形条件进行调整。

虽然这种驱动方式具有调速范围宽的优点，可以实现更精细的控制，但在低速运行时容易出现不稳定情况。这是因为液压马达和气压马达在低速工作时难以保持平稳的输出，容易出现抖动和不稳定的情况，从而影响播种精度。为了解决这个问题，可以采用步进电机驱动、直流电机驱动等，以提高低速稳定性。

3 排种器直流电机驱动类型

排种器直流电机驱动的基本形式是将直流电机通过传动机构与排种器相连接，实现精密的播种控制和调节。控制电机的速度和方向，可以实现各种播种要求的精确控制[6]。通常，控制系统采用现代电子技术，如编码器、传感器和微处理器等，对播种过程进行实时监控和控制。电源为电机提供直流电源，通常采用蓄电池。通过这些基本组件，可以實现对排种器的精准控制和调节，从而提高播种效率和作业质量。

排种器直流电机驱动的基本形式有三种：步进电机驱动、直流伺服电机驱动和永磁同步电机驱动。

3.1 步进电机驱动方式

步进电机驱动是一种开环控制的驱动方式，它可以准确地控制驱动电机的转角和步数，以实现精准的播种定位。通过控制步进电机的步数和转速，可以实现不同的运动形式和播种参数的调节，从而满足不同作物的需求[7]。步进电机可以通过单步控制来驱动播种盘，使得播种株距可以达到精密的要求，其特点是定位准确、稳定性好、结构简单等，且能够在低速时保持良好的性能。但步进电机驱动也有其缺点，主要体现在速度范围有限，不能快速响应变化。

3.2 直流伺服电机驱动方式

直流伺服电机驱动方式具有响应快、调节范围宽、精度高等特点，它具有更好的转速控制和位置控制能力，可以实现更高的精度和速度，能够在高速和高负载情况下保持良好的性能，因此在高精度要求的播种场合应用广泛。其基本原理是通过伺服控制系统，根据传感器反馈的实时信息对电机进行精确控制，从而实现精度高、稳定性强的播种效果[8]。这种驱动方式不仅能够适应多种播种形式，还具有自动校准、自动记忆等智能化特点。直流伺服电机驱动可以通过调整电机转速来控制播种盘的转动速度，从而实现播种作业的精确定位和精密控制，提高生产效率和作业质量。相较于步进电机驱动，直流伺服电机驱动成本较高。

3.3 永磁同步电机驱动方式

永磁同步电机驱动方式具有体积小、重量轻、效率高等特点，广泛应用于各种机械设备中。其优点在于具有较高的转矩密度和较低的能耗，能够实现高速精准控制，并且在运行过程中几乎不会出现滑移等现象，可以满足对精度和速度要求更高的播种作业。此外，永磁同步电机驱动还具有响应速度快、动态性能好等优点。但是，这种驱动方式的调速范围有限，与其他类型的电机相比，调速范围相对较小；过载能力相对较低，短时间内过载会导致电机损坏或者运行不稳定，且成本较高。

4 种盘转速—行进速度测量技术

精准测量种盘转速和拖拉机行进速度是保证播种质量和效率的关键。目前常见的测速方式主要有编码器—编码器混合测速、编码器—雷达测速仪混合测速以及霍尔传感器—GPS混合测速。

编码器—编码器混合测速方式利用两个编码器进行测速。在拖拉机驱动轴和排种器种盘轴上分别安装编码器。将其信号通过传感器和控制器进行处理，通过检测旋转角度和时间间隔从而得出种盘转速和拖拉机行进速度[9]。编码器是一种可以感知运动状态的传感器，能够将运动转换成电信号进行测量，具有较高的测速精度和稳定性。该测速方式的缺点是编码器的光栅极易被灰尘等污染，导致信号输出值的相对差幅度下降，必须及时清理。

编码器—雷达测速仪混合测速方式则是在拖拉机上安装雷达测速仪，通过发射雷达波并接收回波，测量出拖拉机行进速度，同时在种盘上安装编码器，通过计算旋转角度和时间间隔得到种盘转速[10]。编码器—雷达测速仪混合测速方式可以减少因地形不平等等因素带来的误差，提高测速的准确度，但成本相对较高，而且在不良天气或环境下可能会受到干扰，造成测速不准确。

霍尔传感器—GPS混合测速则是在种盘上安装霍尔传感器，通过检测磁场的变化计算出种盘转速，并在拖拉机上安装GPS，通过测量位置的变化来计算拖拉机行进速度[11-12]。这种测速方式具有无需接触式测量、精度高、全天候测量等优点，但对于磁场变化较小或位置测量不准确的情况可能会出现误差。GPS测量的精度受环境因素的影响，例如天气、建筑物等，需要在开阔的环境下进行测量。

5 排种器驱动电机的控制策略

排种器驱动电机的控制策略主要包括位置式PID控制、增量式PID控制、模糊PID控制等。其中，位置式PID控制和增量式PID控制是传统PID控制器的两种基本形式[13]，而模糊PID控制是一种基于模糊逻辑的控制方法。它们的目的都是通过控制电机转速来实现精密的种植操作。

位置式PID控制是通过将目标位置与实际位置之间的误差传入控制器，通过不断地调整控制量，使误差趋于零，以调整驱动电机的速度，使得实际位置逐渐接近目标位置。这种控制策略可以用于精确控制每个种子的下落位置，进行精准的株距控制，以达到株距一致的目的。该控制方式在控制精度方面具有控制精度高、稳定性好等优点，但缺点是需要消耗大量的计算资源，不利于高速运算，导致系统响应速度较慢。

增量式PID控制策略基于位置式PID控制，但其输出是控制量的增量，而不是控制量本身。该控制策略通过测量系统的实际位置与期望位置之间的误差及其变化率，来计算控制量的增量，并通过控制量的累积来控制系统的位置。对于排种器，增量式PID控制可用于调节电机转速，以适应拖拉机在不同地形和速度下的行进情况，从而控制种子的排放速度。这种控制方式的优点在于计算量较小、实时性强，但控制精度略低于位置式PID控制。

模糊PID控制是一种结合模糊逻辑和PID控制的控制方式，通过模糊逻辑处理模糊输入变量，得到模糊输出变量，然后将模糊输出变量作为PID控制的输入，实现精密的控制[14-15]。对于排种器，模糊PID控制可用于考虑多种因素，例如拖拉机行进速度、地形坡度、种子种类等，以实现更加智能化的控制。这种控制策略可以适应各种不同的工作条件和控制要求，但需要对模糊控制的算法和参数进行精细的设计和调整。

6 改进建议

排种器直流电机驱动模式的改进方向之一是安装结构或传动结构的优化。传动结构的优化可以提高排种器的效率和可靠性，同时减少能耗和维护成本。以下是四种可能的优化方向。

6.1 传动结构的改良与优化

为了进一步提高排种器直流电机驱动模式的效率和可靠性，驱动电机连接形式的改良与优化是一个重要的研究方向。传动结构的优化可以提高排种器的效率和可靠性，同时减少能耗和维护成本。目前的驱动电机连接形式主要采用减速器、联轴器等传动机构，但这些机构会导致能量损失和传动精度下降，从而影响到整个系统的性能。因此，将传动机构和连接结构的数量减少到最低限度，以减少能量损失和传动误差，是一个很好的优化方向。

在未来的研究中，可以采用直接将电机轴与播种器轴相连的直接驱动方式，从而避免传动机构带来的能量损失和传动误差。此外，还可以采用柔性联接方式，如弹性联轴器，来减少由于不同轴的轴线不对齐和运动不平稳导致的振动和噪音。将传动机构和连接结构的数量减少到最低限度，以减少能量损失和传动误差，有效降低系统的复杂度，根本上解决各传动机构带来的不稳定因素。

6.2 研发电驱排种专用电机

由于目前市场上存在的电机多数是普通电机，在高负载、低速、长时间工作的情况下，容易出现过载、温升等问题，因此需要研发适用于精密播种机应用场景的专用特种电机。低转速、大扭矩的电机可以提高播种精度、稳定性和效率，已经成为排种器直流电机驱动模式未来的研究方向之一。

这种电机可以减少传动系统的复杂性和零部件数量，使得機器结构更为简单紧凑，提高了机器的可靠性和耐用性。研究者可以采用先进的磁性材料和新型制造工艺，来实现更高效的磁通密度和更低的磁损耗，提高电机的功率密度和效率；通过改进电机的磁路结构、绕组设计和电控系统等方面，来提高电机的低速高扭矩性能。总之，未来的研究方向是在保证驱动系统稳定性的基础上，继续探索和优化电机的结构和性能，以生产进一步满足高速播种场景的需求，实现更加高效、精准的高速精密播种作业。

6.3 提高种盘转速-机具行进速度测量的可靠性

种盘转速-机具行进速度测量方式的未来研究方向可以从以下两个方面来考虑：

（1）多种传感器混合测速：目前常用的测速方式有编码器-编码器混合测速、编码器-雷达测速仪混合测速和霍尔传感器-GPS混合测速。未来的发展方向可以是采用多种传感器混合测速，将多种测速方式的数据进行融合，从而提高测速的精度和稳定性。例如，可以结合编码器、GPS和惯性导航传感器等多种传感器来进行测速，通过多传感器融合算法，提高测速精度和可靠性。

（2）高效的数据处理技术：采用高效的数字信号处理技术和算法，对多传感器采集的数据进行校正和滤波，以提高测速数据的准确性和稳定性。例如，可以采用卡尔曼滤波、神经网络、模糊逻辑等算法对采集的数据进行处理，减小传感器测量误差和外部干扰对测量结果的影响，提高测速精度和鲁棒性。

6.4 电机控制策略的适配性及优化

电驱播种应用环境通常是在农业作业中，需要在开阔的田地中进行种植作业。因此，电机控制策略的未来研究方向应当考虑到以下两个因素：

（1）适应复杂的工作场景，包括高速行驶、颠簸路面等因素对电驱播种的影响，要求电机控制策略具备高稳定性和抗干扰能力；

（2）提高播种的准确性和效率，降低播种失误率和漏种率。可以采用多种控制策略来实现自适应控制、预测控制等技术，提高播种效率和质量。

基于以上考虑，电机控制策略研究方向可以包括以下三个方面。

（1）神经网络PID控制是一种利用神经网络对传统PID控制器进行优化的方法。通过神经网络的学习和适应能力，可以实现对电机控制的精确控制，进一步提高播种机工作效率和准确度。

（2）自适应控制是指系统能够自动调节控制参数以适应不断变化的工作环境。在电驱播种应用中，通过采集和分析作业现场的数据，实时调节控制参数，使播种机能够在不同的地形、作业速度和负载条件下实现最佳的播种效果。

（3）预测控制是一种通过对未来系统状态的预测来进行控制的方法。在电驱播种应用中，可以利用模型预测未来的播种状态，进而优化电机的控制策略，使播种机能够更好地适应作业环境。

总之，电驱播种应用环境的复杂性要求控制策略具有更高的智能化和适应性，以提高播种效率和准确性。

参考文献

[1] 赵旭志.国内外高速播种技术及装备研究[J].当代农机，2023（1）：22-24.