電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)玉米氣吸排種器總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊 碩 王 秀 高原源 趙學(xué)觀 竇漢杰 趙春江

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

精密播種技術(shù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)單粒播種、種距均勻和播深一致等手段達(dá)到減少種子投入量、增加產(chǎn)量的目標(biāo)，因其突出的產(chǎn)量和效益優(yōu)勢(shì)得到大范圍的推廣[1]。排種器是保證播種密度、粒距均勻一致的重要部件，而排種器的結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方式是保證排種性能的關(guān)鍵[2]。排種器結(jié)構(gòu)形式的不斷優(yōu)化，保證了在排種盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下提高排種性能[3-4]。傳統(tǒng)機(jī)械式地輪驅(qū)動(dòng)排種器為被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)方式，因受地表土壤情況和車速影響，出現(xiàn)地輪打滑、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死的現(xiàn)象，造成漏播、株距不均勻?？煽貏?dòng)力單元驅(qū)動(dòng)排種器排種為解決該問(wèn)題提供了方法，其中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器因具有轉(zhuǎn)速易控、運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，成為精量播種的重要研究方向[5-9]。文獻(xiàn)[10-13]研究表明電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種中，提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速精度可提高排種器的排種性能。播種狀態(tài)的信息獲取對(duì)保證播種作業(yè)的順利進(jìn)行具有重要作用。文獻(xiàn)[14-19]采用線上或線下的方法對(duì)排種器的排種性能進(jìn)行了研究，數(shù)據(jù)收集采用無(wú)線傳輸、RS232串口傳輸、CAN總線傳輸?shù)忍囟▊鬏攨f(xié)議，對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種系統(tǒng)性能進(jìn)行調(diào)試和分析，隨著農(nóng)機(jī)具上電控部件的增多，布線繁雜，信息共享受到局限，控制系統(tǒng)之間信息交換成為急需解決的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)林車輛系統(tǒng)信息的標(biāo)準(zhǔn)化通訊，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了ISO 11783總線標(biāo)準(zhǔn)，為拖拉機(jī)或農(nóng)機(jī)具上不同設(shè)備之間信息傳輸和交換提供了可能。文獻(xiàn)[20-21]依據(jù)ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[22]采用ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)對(duì)播深控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采集多傳感器信息對(duì)播深的一致性進(jìn)行控制；文獻(xiàn)[23]采用ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)搭建了CAN總線播種堵塞狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)多路播種堵塞狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。國(guó)際知名農(nóng)機(jī)企業(yè)已在播種機(jī)械上成熟應(yīng)用了CAN總線通訊技術(shù)，而國(guó)內(nèi)符合ISO 11783通訊標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)玉米精密播種技術(shù)發(fā)展較滯后。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器總線控制系統(tǒng)，以4行氣吸式排種器為研究對(duì)象，采用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器；設(shè)計(jì)符合ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，監(jiān)測(cè)播種系統(tǒng)工作狀態(tài)，控制氣吸式排種器工作，以期提高電驅(qū)排種系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器控制系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式，控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。為滿足氣吸式播種機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)工作性能，系統(tǒng)由人機(jī)交互設(shè)備(Human machine interface, HMI)、排種驅(qū)動(dòng)集成控制單元(Electronic control unit, ECU)和排種監(jiān)測(cè)ECU 3部分組成。HMI以個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal computer, PC)為平臺(tái)，主要完成播種設(shè)置參數(shù)輸入、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行播種作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息交換。國(guó)內(nèi)大多數(shù)播種監(jiān)測(cè)傳感器、排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)都未設(shè)置CAN接口，故需增加具有CAN接口的排種驅(qū)動(dòng)ECU和排種監(jiān)測(cè)ECU，用于對(duì)排種相關(guān)部件的信息解析、處理，進(jìn)行CAN總線信息傳輸。排種驅(qū)動(dòng)ECU主要完成監(jiān)測(cè)車速和排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息，控制排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)排種器進(jìn)行精密排種。排種監(jiān)測(cè)ECU主要用于監(jiān)測(cè)氣壓傳感器的壓力、排種監(jiān)測(cè)傳感器的落種信息，對(duì)排種器的排種工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。CAN總線協(xié)議參照ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)，各ECU通過(guò)總線協(xié)議進(jìn)行通訊。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Structural diagram of overall system

1.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。PC經(jīng)串口由USB/CAN轉(zhuǎn)換器(北京樂(lè)電新南科技有限公司，隔離型)連接至CAN網(wǎng)絡(luò)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of control system

排種驅(qū)動(dòng)ECU主控器采用集成控制器TTC580，通過(guò)頻率采集端口(測(cè)頻范圍0.1 Hz～20 kHz)采集基于頻率信號(hào)的車速傳感器和四路電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器反饋的電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；采用電壓輸出端口控制AQMD3608BLS型驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)控制四路排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(100 W，2 000 r/min)的轉(zhuǎn)速；通過(guò)TTC580的CAN1通訊端口與總線系統(tǒng)連接，設(shè)置通訊波特率為500 Kb/s。排種監(jiān)測(cè)ECU的主控器選用STM32控制板，主控芯片為ATM32F105R8T6，該芯片具有雙路bxCAN(Basic extended CAN)接口，支持CAN 2.0A和CAN 2.0B，能夠滿足ISO 11783-3和ISO 11783-7的要求；CAN收發(fā)器采用TJA1050芯片，能夠滿足ISO 11783-2的要求。STM32控制板通過(guò)UART2 TTL/485轉(zhuǎn)換模塊(ISO-RS485-1B型)讀取CYYZ31-40-RS-14-B-G型氣壓傳感器的壓力；通過(guò)上拉輸入端口經(jīng)PC817型光耦(響應(yīng)頻率0～4 kHz)采集排種監(jiān)測(cè)傳感器(河北中友機(jī)電設(shè)備有限公司)信號(hào)。

1.3 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

ISO 11783基于CAN 2.0B標(biāo)準(zhǔn)。CAN 2.0B幀格式根據(jù)幀標(biāo)識(shí)符的位數(shù)定義了標(biāo)準(zhǔn)幀(11位)和擴(kuò)展幀(29位)2種格式，但I(xiàn)SO 11783只對(duì)擴(kuò)展幀規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)化的信息幀。

本文主要對(duì)ISO 11783的仲裁場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，ISO 11783協(xié)議通過(guò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol data unit, PDU)實(shí)施和封裝，PDU由優(yōu)先級(jí)P(3 bit)、保留位R(1 bit)、數(shù)據(jù)頁(yè)DP(1 bit)、協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式PF(8 bit)、特定協(xié)議數(shù)據(jù)單元PS(8 bit)、源地址SA(8 bit)和數(shù)據(jù)域DATA(64 bit)7部分組成。參照ISO 11783-1:2007附錄3中規(guī)定的SA范圍為83～127時(shí)為預(yù)留源地址定義，設(shè)計(jì)系統(tǒng)源地址。參照ISO 11783-7:2007應(yīng)用層協(xié)議對(duì)某些通用量進(jìn)行了規(guī)定，如附錄A.8中基于行走輪車速數(shù)據(jù)幀建議PGN為00FE48、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2 bytes、更新周期100 ms、分辨率0.001 (m/s)/bit等參數(shù)做出了規(guī)定。播種總線系統(tǒng)仲裁場(chǎng)地址分配如表1所示。

表1 播種總線系統(tǒng)仲裁場(chǎng)地址分配Tab.1 Arbitration field of planting bus system

根據(jù)設(shè)定的PDU標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)之間采用單幀模式傳輸，ECU之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)協(xié)議如表2所示。其中，反饋轉(zhuǎn)速1、2、3、4和設(shè)定轉(zhuǎn)速1、2、3、4分別為排種盤1、2、3、4的反饋轉(zhuǎn)速、設(shè)定轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度2 bytes，分辨率為0.01(r/min)/bit；車速數(shù)據(jù)長(zhǎng)度2 bytes，分辨率為0.01(km/h)/bit；落種速率1、2、3、4分別為排種盤1、2、3、4的監(jiān)測(cè)落種數(shù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1 byte；氣壓值數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2 bytes，分辨率為0.01 kPa/bit；“STM32發(fā)送報(bào)文啟?！睘镾TM32啟停發(fā)送PDU標(biāo)識(shí)為18E86665的報(bào)文控制指令，啟動(dòng)為0x01，停止為0x00；“PC落種計(jì)數(shù)啟?！睘槁浞N計(jì)數(shù)開(kāi)啟、停止標(biāo)志報(bào)文，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1 byte，啟動(dòng)為0x01，停止為0x00。

表2 播種總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)場(chǎng)協(xié)議Tab.2 Data field of planting bus system

1.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.4.1PC端軟件設(shè)計(jì)

采用C++語(yǔ)言基于MFC框架，使用VS2012開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了PC人機(jī)交互界面(圖3)，包括串口通訊參數(shù)設(shè)置、排種設(shè)置參數(shù)的輸入和作業(yè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

圖3 PC界面Fig.3 PC interface

為獲得排種盤的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，需要對(duì)行距、排種盤孔數(shù)、粒距參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算排種盤目標(biāo)轉(zhuǎn)速n為

(1)

式中n——排種盤目標(biāo)轉(zhuǎn)速，r/min

v——車速，km/h

P——排種盤孔數(shù)，個(gè)

L——粒距，cm

由設(shè)置的行距和粒距獲得理論播種量，用于設(shè)置株距時(shí)參考，理論播種量Q為

(2)

式中Q——理論播種量，粒/hm2

H——行距，cm

通過(guò)開(kāi)始按鈕，程序通過(guò)串口向外發(fā)送排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速報(bào)文。作業(yè)參數(shù)監(jiān)測(cè)主要包括車速、監(jiān)測(cè)粒距、各路排種盤實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、落種速率、各行總數(shù)及總粒數(shù)，其中，監(jiān)測(cè)粒距為4路排種監(jiān)測(cè)粒距的平均值。監(jiān)測(cè)粒距Lr為

(3)

式中Lr——監(jiān)測(cè)粒距，cm

m——落種速率，粒/s

USB/CAN轉(zhuǎn)換器的模式為包模式，該模式下串口數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為16 bytes，數(shù)據(jù)不足自動(dòng)補(bǔ)零，包首標(biāo)識(shí)固定為AA，用戶可以任意對(duì)CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收。程序中，串口接收到數(shù)據(jù)后，判斷包首是否為AA，若為AA，截取固定16 bytes的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，按照USB/CAN轉(zhuǎn)換器包模式定義，截取報(bào)文ID和數(shù)據(jù)位。通過(guò)接收?qǐng)?bào)文，按照1.3節(jié)中協(xié)議進(jìn)行解析，獲取各參數(shù)值。開(kāi)始計(jì)數(shù)按鈕用于啟停PC端程序計(jì)數(shù)，同時(shí)通過(guò)串口發(fā)送PC落種計(jì)數(shù)啟停報(bào)文，用于線下的數(shù)據(jù)分析，獲得開(kāi)始落種計(jì)數(shù)和停止落種計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確位置。計(jì)數(shù)清零按鈕用于PC端的各路排種器落種計(jì)數(shù)和總計(jì)數(shù)值的參數(shù)清零。

1.4.2排種驅(qū)動(dòng)ECU程序設(shè)計(jì)

利用CodesysV3.5 SP10軟件，使用ST語(yǔ)言對(duì)排種驅(qū)動(dòng)ECU進(jìn)行編程，程序流程如圖4所示。排種驅(qū)動(dòng)ECU程序啟動(dòng)后，首先完成端口初始化設(shè)置，等待CAN總線報(bào)文，對(duì)報(bào)文PDU標(biāo)識(shí)進(jìn)行判別，PDU標(biāo)識(shí)一致后，讀取數(shù)據(jù)，利用1.3節(jié)中規(guī)定的通訊協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)置轉(zhuǎn)速，判斷設(shè)定轉(zhuǎn)速值的范圍，根據(jù)排種盤轉(zhuǎn)速的設(shè)定范圍，分別賦予對(duì)應(yīng)的排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的PID閉環(huán)調(diào)控參數(shù)。PID調(diào)節(jié)時(shí)，排種盤目標(biāo)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)值，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速信號(hào)為反饋值，模擬量(0～5 V)為輸出值，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

圖4 排種驅(qū)動(dòng)ECU程序流程圖Fig.4 Flow chart of planting driving ECU

為了消除反饋值受擾動(dòng)信號(hào)影響，取8次反饋頻率的平均值為最終反饋值，間隔100 ms，向CAN口發(fā)送排種盤反饋轉(zhuǎn)速報(bào)文。為防止排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)造成漏播，通過(guò)測(cè)試，控制器模擬量輸出端口反饋的電流與電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)相關(guān)，模擬量端口反饋電流小于200 mA或者大于2 920 mA時(shí)，排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)或停止?fàn)顟B(tài)。工作時(shí)，監(jiān)測(cè)到排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)突然堵轉(zhuǎn)或者處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，將排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反饋轉(zhuǎn)速值設(shè)為0，重啟排種驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了保證排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反饋轉(zhuǎn)速和落種速率監(jiān)測(cè)報(bào)文時(shí)序基本一致，間隔1 s，TTC580發(fā)送監(jiān)測(cè)各路落種速率和讀取STM32指令報(bào)文。

1.4.3排種監(jiān)測(cè)ECU程序設(shè)計(jì)

排種監(jiān)測(cè)ECU以STM32F105RBT6為核心，利用Keil5軟件進(jìn)行編程，主要完成CAN報(bào)文收發(fā)、氣壓讀取和落種速率的監(jiān)測(cè)，程序流程圖如圖5所示。

圖5 排種監(jiān)測(cè)ECU程序流程圖Fig.5 Flow chart of planting monitoring ECU

端口初始化成功后，通過(guò)掃描4路IO端口電平狀態(tài)，獲得下降沿來(lái)獲取排種監(jiān)測(cè)傳感器的排種脈沖信號(hào)。為了防止信號(hào)傳輸與端口掃描之間的相互干擾，將掃描到的下降沿信號(hào)按照落種監(jiān)測(cè)傳感器的順序，依次賦予不同的落種計(jì)數(shù)標(biāo)識(shí)值，存入FIFO數(shù)組中，通過(guò)判斷FIFO數(shù)組內(nèi)數(shù)值，當(dāng)數(shù)值與對(duì)應(yīng)落種計(jì)數(shù)標(biāo)識(shí)值相等時(shí)，該路落種計(jì)數(shù)值加1，獲得落種信號(hào)等待發(fā)送。氣體壓力傳感器支持RS485接口，通過(guò)MODBUS RTU協(xié)議對(duì)氣壓狀態(tài)進(jìn)行讀取，響應(yīng)頻率小于等于5 Hz，STM32控制板間隔1 s向串口發(fā)送讀取氣壓的指令，獲得反饋數(shù)據(jù)，按照0～1 000對(duì)應(yīng)-20～0 kPa進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，獲得當(dāng)前氣壓狀態(tài)。接收CAN總線報(bào)文成功后，對(duì)ID進(jìn)行判別，若ID=18E86564，則啟動(dòng)STM32發(fā)送報(bào)文，將各路每秒落種數(shù)和氣壓表壓力按照1.3節(jié)協(xié)議，ID=18E86665向CAN口發(fā)送報(bào)文。報(bào)文發(fā)送完成后，將排種計(jì)數(shù)值清零，循環(huán)運(yùn)行程序，直至結(jié)束。

2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

搭建試驗(yàn)平臺(tái)(圖6)，對(duì)播種總線控制系統(tǒng)性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)所用4個(gè)氣吸排種器和風(fēng)機(jī)均為河北中友機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的2BFQ系列氣吸精密播種機(jī)中整機(jī)配件。風(fēng)機(jī)配10倍增速帶輪，由YE2-132M-6型單相電動(dòng)機(jī)(4 kW，940 r/min)提供動(dòng)力，選用XD350-4.0G1型變頻器驅(qū)動(dòng)，可控制電動(dòng)機(jī)在300～940 r/min之間穩(wěn)定調(diào)速，選用直徑45 cm氣管，長(zhǎng)度1 m。氣吸排種器驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器與排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)連接，排種器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為直齒錐齒輪，減速比為2∶1，排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)減速器減速比為18∶1。排種監(jiān)測(cè)傳感器固定于排種器排種出口位置，對(duì)射距離為85 mm。氣壓傳感器固定于風(fēng)機(jī)分流裝置中心位置。排種盤選用孔直徑為4.5 mm，孔個(gè)數(shù)為26個(gè)。USBCAN-E-U型CAN分析儀，采用CANTEST軟件，記錄CAN總線數(shù)據(jù)，用于排種器作業(yè)狀態(tài)的線下分析。車速傳感器采用接近開(kāi)關(guān)探測(cè)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸出頻率信號(hào)，本試驗(yàn)臺(tái)采用作業(yè)速度模擬器(北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，輸出1～150 kHz)用于模擬車速傳感器信號(hào)。選用鄭單958(半馬齒型)玉米種子進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)PC設(shè)置參數(shù)，經(jīng)USB/CAN轉(zhuǎn)換器將指令發(fā)送至CAN網(wǎng)絡(luò)，TTC580接收到指令后，控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)排肥驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)氣吸排種器工作，同時(shí)將車速、排種盤轉(zhuǎn)速及其他報(bào)文傳送至CAN網(wǎng)絡(luò)；STM32控制板監(jiān)測(cè)排種狀態(tài)，并通過(guò)TTL/485轉(zhuǎn)換模塊與氣壓傳感器通訊，獲取氣壓，接收到發(fā)送報(bào)文指令后，將落種速率和氣壓傳送至CAN網(wǎng)絡(luò)；PC接收?qǐng)?bào)文，并實(shí)時(shí)顯示車速、氣壓、落種速率、排種盤轉(zhuǎn)速和總落種數(shù)；CAN分析儀監(jiān)測(cè)并記錄CAN總線報(bào)文，進(jìn)行線下數(shù)據(jù)分析。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Test platform1.分流裝置 2.氣壓傳感器 3.排種器 4.聯(lián)軸器 5.排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 6.排種盤 7.排種監(jiān)測(cè)傳感器 8.臺(tái)架 9.收集桶 10.計(jì)算機(jī) 11.CAN分析儀 12.USB/CAN轉(zhuǎn)換器 13.PC817光耦模塊 14.STM32控制板 15.TTL/485轉(zhuǎn)換模塊 16.TTC580 17.作業(yè)速度模擬器 18.變頻器 19.風(fēng)機(jī) 20.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 排種盤轉(zhuǎn)速控制精度試驗(yàn)

排種盤工作轉(zhuǎn)速的精確控制是播種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精密播種的關(guān)鍵因素之一。為應(yīng)對(duì)排種過(guò)程中，排種盤受到種子、排種機(jī)構(gòu)等隨機(jī)阻力的影響，系統(tǒng)通過(guò)排種驅(qū)動(dòng)ECU，利用位置PID閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)4行排種器的驅(qū)動(dòng)，控制原理如圖7所示。

圖7 排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)PID控制原理圖Fig.7 Schematic of PID control for planting driving motor

控制器通過(guò)讀取t時(shí)刻排種盤目標(biāo)轉(zhuǎn)速n(t)(r/min)，乘以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系數(shù)36，得到排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速N(t)(r/min)，排種驅(qū)動(dòng)ECU通過(guò)PID閉環(huán)控制，監(jiān)測(cè)排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得反饋轉(zhuǎn)速N′(t)(r/min)，輸出0～5 V模擬量控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)趨近目標(biāo)轉(zhuǎn)速，模擬量控制信號(hào)V(t)(mV)與反饋量的控制關(guān)系式為

(4)

式中e(t)——排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反饋轉(zhuǎn)速N′(t)與目標(biāo)轉(zhuǎn)速N(t)差值

Kp——閉環(huán)系統(tǒng)比例系數(shù)

Ki——閉環(huán)系統(tǒng)積分系數(shù)

Kd——閉環(huán)系統(tǒng)微分系數(shù)

通過(guò)多次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，采用試湊法確定PID參數(shù)，通過(guò)PC界面設(shè)置排種盤轉(zhuǎn)速，通過(guò)CAN數(shù)據(jù)分析儀監(jiān)測(cè)、記錄在線作業(yè)報(bào)文，提取PDU標(biāo)識(shí)為0CE76466、18E86664的報(bào)文數(shù)據(jù)，獲取排種盤設(shè)定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速，排種盤反饋轉(zhuǎn)速報(bào)文間隔100 ms循環(huán)發(fā)送。當(dāng)排種盤孔數(shù)選擇26個(gè)，行距為60 cm，株距范圍15～30 cm，車速4～12 km/h時(shí)，計(jì)算得排種盤轉(zhuǎn)速范圍為0～51.28 r/min，試驗(yàn)選定排種盤調(diào)速范圍為0～55 r/min。通過(guò)多次試驗(yàn)，調(diào)整PID參數(shù)，最終確定閉環(huán)系統(tǒng)比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd分別為0.135、0.74、0.162。4行排種器在設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速下的響應(yīng)性能如圖8所示。

圖8 4行排種盤轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)結(jié)果Fig.8 Rotate speed step response results of four seed plates

由試驗(yàn)結(jié)果可得，系統(tǒng)在控制4行排種器時(shí)，各排種器表現(xiàn)出較好的同步控制性能，目標(biāo)轉(zhuǎn)速在15～55 r/min的范圍內(nèi)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、調(diào)節(jié)時(shí)間如表3所示。

其中，調(diào)節(jié)時(shí)間為系統(tǒng)從開(kāi)始調(diào)節(jié)至達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速±5%精度范圍內(nèi)的時(shí)間。由試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)在排種盤工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較高控制精度，平均穩(wěn)態(tài)誤差絕對(duì)值為1.10 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差為0.37 r/min。目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍為15～20 r/min時(shí)，平均調(diào)節(jié)時(shí)間為3.47 s，明顯大于目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍為30～55 r/min的平均調(diào)節(jié)時(shí)間1.98 s。系統(tǒng)在15～20 r/min、30～40 r/min、50～55 r/min的目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均超調(diào)量分別為72.93%、39.33%、15.35%，具有較大差別，原因可能是排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間受到較大阻力影響。

表3 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)結(jié)果Tab.3 Rotate speed step response results of system

圖9 分段PID轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)結(jié)果Fig.9 Rotate speed step response results of piecewise PID control

3.2 排種盤轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化試驗(yàn)

為了優(yōu)化因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中阻力大造成的低轉(zhuǎn)速下階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大的問(wèn)題，使排種盤在設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較穩(wěn)定的階躍響應(yīng)性能，采用分段PID控制的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)圖8試驗(yàn)結(jié)果，將排種盤設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速按照低速(15～20 r/min)、中速(20～40 r/min)、高速(40～55 r/min)分段進(jìn)行變參數(shù)的PID控制，進(jìn)行了排種盤轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化試驗(yàn)。在3個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定范圍內(nèi)，分別通過(guò)試湊法測(cè)定最佳的PID調(diào)整參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。通過(guò)試驗(yàn)，最終確定系統(tǒng)不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速階段內(nèi)的3組PID調(diào)節(jié)系數(shù)Kp、Ki、Kd分別為：0.02、0.155、0.002； 0.129、2、0.162； 0.135、0.74、0.162。由試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速情況下超調(diào)量得到了有效的控制，通過(guò)整理、去除異常點(diǎn)，系統(tǒng)分段PID優(yōu)化后的排種盤轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)性能如表4所示。

表4 系統(tǒng)階躍響應(yīng)優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Step response optimal results of system

由試驗(yàn)結(jié)果得，系統(tǒng)在15～55 r/min目標(biāo)轉(zhuǎn)速內(nèi)，平均穩(wěn)態(tài)誤差絕對(duì)值為0.97 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差為0.76 r/min，與優(yōu)化前相比，平均穩(wěn)態(tài)誤差絕對(duì)值減少0.13 r/min；目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍為15～20 r/min時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間平均為1.84 s，與優(yōu)化前相比，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間平均減少1.63 s；在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為15～20 r/min和30～40 r/min范圍時(shí)，平均超調(diào)量分別為38.51%、17.08%，與優(yōu)化前相比，平均超調(diào)量分別降低34.41%、22.26%。由試驗(yàn)結(jié)果得，分段PID調(diào)節(jié)使系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的排種盤閉環(huán)調(diào)速性能趨于一致。

3.3 車速影響排種器性能試驗(yàn)

為了探究多路氣吸排種器排種時(shí)，選定排種盤孔數(shù)情況下，車速對(duì)排種性能的影響，利用總線系統(tǒng)進(jìn)行了排種監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，采用計(jì)算機(jī)界面在線監(jiān)測(cè)落種速率、各行排種數(shù)和排種總數(shù)，利用USB/CAN分析儀記錄總線報(bào)文數(shù)據(jù)，線下進(jìn)行分析。排種盤孔數(shù)26個(gè)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速540 r/min，行距為60 cm，株距為20 cm，車速調(diào)節(jié)范圍為4～12 km/h，間隔1 km/h遞增。

利用計(jì)算機(jī)界面開(kāi)始計(jì)數(shù)控制按鈕觸發(fā)的報(bào)文確定播種計(jì)數(shù)的起始和停止時(shí)間，首先對(duì)各車速下排種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由試驗(yàn)結(jié)果可得，設(shè)定株距為20 cm，車速范圍為4～12 km/h時(shí)，排種監(jiān)測(cè)平均準(zhǔn)確率為97.53%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.48%，排種監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率未隨車速的增加而降低。由試驗(yàn)結(jié)論可得，該總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的排種監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性，可作為在線分析玉米排種器性能的依據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)排種器孔數(shù)為26個(gè)的氣吸式排種器在不同車速下的排種性能進(jìn)行了研究。4～12 km/h車速下，每個(gè)車速下同時(shí)采集50 s內(nèi)4行排種器的落種速率，由公式(3)獲得粒距，測(cè)得試驗(yàn)時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓范圍為-6.0～-5.9 kPa之間，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

表5 排種計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of planting counting monitoring

圖10 粒距隨車速變化散點(diǎn)圖Fig.10 Scatter diagram of changes of seed spacing with travel speed

由圖10可得，當(dāng)排種盤孔數(shù)為26個(gè)時(shí)，排種器隨車速的增加粒距分散越來(lái)越劇烈，當(dāng)車速大于9 km/h時(shí)，粒距大于30 cm的情況明顯增多，漏播現(xiàn)象顯著。

參照國(guó)標(biāo)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，獲得合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)，對(duì)氣吸式排種器在不同車速下的排種性能進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖11和圖12所示?？傻门欧N器在車速為4～12 km/h的范圍內(nèi)，合格指數(shù)平均值為89.59%，標(biāo)準(zhǔn)差為8.01%，漏播指數(shù)平均值為10.41%，標(biāo)準(zhǔn)差為8.01%，重播指數(shù)為0%。

圖11 合格指數(shù)隨車速變化柱狀圖Fig.11 Changes of quality of feed index with travel speed

圖12 漏播指數(shù)隨車速變化柱狀圖Fig.12 Changes of miss-seeding index with travel speed

排種器在車速增加過(guò)程中，合格指數(shù)變化明顯，車速范圍為4～8 km/h時(shí)，合格指數(shù)平均值為95.68%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.29%；而車速范圍為9～12 km/h時(shí)，合格指數(shù)平均值為81.99%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.03%，車速達(dá)到9 km/h時(shí)，合格指數(shù)降到90%以下。綜上數(shù)據(jù)分析可得，車速對(duì)氣吸排種器的排種性能具有重要的影響，當(dāng)排種盤孔數(shù)為26個(gè)，設(shè)定株距為20 cm，風(fēng)壓為-6.0～-5.9 kPa時(shí)，建議車速范圍為4～8 km/h，此時(shí)，排種合格指數(shù)大于90%。

3.4 車速階梯變化播種系統(tǒng)響應(yīng)試驗(yàn)

由于駕駛?cè)藛T、拖拉機(jī)功率等因素影響，目標(biāo)播種速率相同時(shí)因車速不同會(huì)造成目標(biāo)排種盤轉(zhuǎn)速的隨動(dòng)變化。為探究系統(tǒng)應(yīng)對(duì)車速變化的性能，對(duì)播種系統(tǒng)與車速的隨動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，播種株距為20 cm，排種盤孔數(shù)為26個(gè)，行距為60 cm，通過(guò)人為改變作業(yè)速度模擬器的輸出頻率，使系統(tǒng)測(cè)量車速在4～12 km/h范圍內(nèi)，公差為2 km/h，依次遞增、遞減階梯變化，通過(guò)CAN分析儀記錄系統(tǒng)車速、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、4行排種盤轉(zhuǎn)速，排種盤轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速在車速階梯變化下響應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

從圖13可以看出，在車速遞增和遞減的過(guò)程中，系統(tǒng)按照目標(biāo)轉(zhuǎn)速的變化，具有較好的跟隨性能，曲線變化基本一致。車速加速、減速過(guò)程中，分別對(duì)4行排種盤隨車速響應(yīng)的超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、調(diào)節(jié)時(shí)間取平均值，系統(tǒng)車速響應(yīng)結(jié)果如表6。由試驗(yàn)結(jié)果可得，系統(tǒng)在車速階梯遞增過(guò)程中，排種盤平均轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間為2.00 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.34 s；平均穩(wěn)態(tài)誤差的絕對(duì)值為0.41 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差為0.45 r/min；平均超調(diào)量為3.73%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.14%；系統(tǒng)在車速階梯遞減過(guò)程中，排種盤平均轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間為1.83 s，標(biāo)準(zhǔn)差為1.07 s；平均穩(wěn)態(tài)誤差的絕對(duì)值為0.13 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差為0.20 r/min；平均超調(diào)量為-2.69%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.51%。車速遞增過(guò)程與車速遞減過(guò)程相比，系統(tǒng)平均調(diào)節(jié)時(shí)間增加0.17 s，主要由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)延遲造成；平均穩(wěn)態(tài)誤差增加0.28 r/min；平均超調(diào)量絕對(duì)值增加1.04%。由試驗(yàn)結(jié)果得出，車速對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種性能具有重要影響，受田間車速測(cè)定波動(dòng)、田間土壤情況等因素的影響，系統(tǒng)仍需進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 系統(tǒng)排種盤目標(biāo)轉(zhuǎn)速隨車速階躍響應(yīng)結(jié)果Fig.13 Travel speed step response results of system to target rotation speed of seed plate

加速減速車速變化/(km·h-1)目標(biāo)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)超調(diào)量/%穩(wěn)態(tài)誤差/(r·min-1)調(diào)節(jié)時(shí)間/s車速變化/(km·h-1)目標(biāo)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)超調(diào)量/%穩(wěn)態(tài)誤差/(r·min-1)調(diào)節(jié)時(shí)間/s0→412.823.480.221.754→00000.104→619.235.020.152.436→412.82-3.100.042.636→825.642.37-0.342.308→619.23-3.46-0.011.688→1032.053.01-0.951.6810→825.64-3.520.132.7810→1238.464.77-0.391.8312→1032.05-3.360.481.95

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)玉米氣吸播種機(jī)總線控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)參照ISO 11783進(jìn)行了設(shè)計(jì)，有利于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)精密排種系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化信息傳輸，能夠完成按照設(shè)定播種粒距等參數(shù)，對(duì)多路排種盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行車速隨動(dòng)調(diào)節(jié)，監(jiān)測(cè)落種速率、播種量和氣壓狀態(tài)，可以對(duì)排種器性能進(jìn)行分析。

(2)車速影響排種器性能試驗(yàn)中，對(duì)車速在4～12 km/h范圍內(nèi)，系統(tǒng)排種監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明，排種監(jiān)測(cè)平均準(zhǔn)確率為97.53%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.48%，驗(yàn)證了落種速率監(jiān)測(cè)可靠性。當(dāng)設(shè)定粒距為20 cm，排種盤孔數(shù)為26個(gè)時(shí)，利用總線系統(tǒng)對(duì)車速影響排種器排種性能進(jìn)行了探究，建議車速范圍為4～8 km/h，此時(shí)播種合格指數(shù)高于90%。

(3)采用分段PID的控制方法對(duì)排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，而且有效優(yōu)化了排種盤在低目標(biāo)轉(zhuǎn)速下超調(diào)量大的問(wèn)題。在設(shè)定粒距為20 cm，排種盤孔數(shù)為26個(gè)時(shí)，車速在4～12 km/h階梯變化過(guò)程中，系統(tǒng)控制排種盤轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出較好的隨動(dòng)性能，車速階梯遞增和階梯遞減過(guò)程中，排種盤轉(zhuǎn)速的平均響應(yīng)時(shí)間分別為2.00、1.83 s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.34、1.07 s。由試驗(yàn)結(jié)果可知，本文所用氣吸排種器排種性能由排種盤轉(zhuǎn)速、車速、排種盤孔數(shù)等因素綜合決定。