精密播种机的系统设计

1系统电控部分设计

由于本身的特性，步进电机会发生共振而引起失步，导致漏播，而且播种机在实际工作中偶尔也会出现地轮打滑，引起误播。基于此考虑，结合小区的播种长度、播种时机车的行进速度以及种子的类别等，设计了小区精密播种机试验台电控系统，系统组成如图2所示［8－9］。小区精密播种机的种子类别、播种长度(L)及机车行进速度(VV)由键盘直接输入单片机，不同种子对应于不同的直流电机转速［7］。机车行进速度由D/A转换芯片转换成输出电压，经过放大等相关处理后对变频器进行控制，驱动地轮转动，得到试验速度。播种时间T=L/V，可以得到步进电机旋转1周的时间，播种时间到，电机停转，播种停止。播种开始的同时，单片机内部计数器开始记录编码器所转过的角度(即排种格盘实际转过的角度)，将所测得的角度显示到液晶显示器上。但是，当读入单片机的金属传感器所测的地轮速度(VG)比输入机车行进速度(VV)小时，说明出现打滑现象，此时步进电机停转，将暂停播种工作。系统软件流程图如图3所示。当然，实际工作中，机车行进是基本匀速的，单片机会根据地轮的速度调整步进电机的转速，进而调整排种格盘的转速，实现闭环控制［10］。

2系统机械部分设计

系统机械部分设计主要包括两方面:排种器的机械设计和地轮驱动部分设计。其中，前者前面已经介绍过，本部分主要介绍地轮驱动部分。农机在行走过程打滑现象不可避免，为在实验室能模拟这一现象，系统设计了地轮驱动部分的机械结构，如图4所示。直径24cm摩擦轮通过一个联动轴与和两个轴承连在一个联轴器上，联轴器的另一端连接电机的轴，以获得源动力。为减小转动摩擦阻力，两个滚动轴承选择的都是球轴承，它由滚珠、内环、外环与保持器构成。轴承固定在铁架上，且上下左右都可以调节，以达到联轴器两边协调的目的，从而防止联轴器受力不均导致缩短使用寿命。其中，地轮转动直接由变频器驱动电机实现模拟“行走”。变频器的输出控制电机带动一个直径为24cm的小轮转动，利用与地轮之间橡胶的摩擦力带动地轮旋转。当系统出现过载时，会出现打滑现象，最终达到模拟地轮行走的目的。

3三相齿轮减速电机变频器控制

考虑到地轮旋转过程中需要能够迅速停机，所以本系统使用三相齿轮减速电机。三相齿轮减速电机是由三相异步电动机和减速齿轮组成。三相异步电动机的转速公式为n=n0(1－s)=(60f/p)(1－s)其中，n为三相电机转速;n0是旋转磁场的转速;s是电动机的转差率;f是交流电源的频率;p是电机的极对数。显然，改变f、p、s均可达到改变转速的目的。为了提高可操作性，这里采用改变f的方式，即通过变频器来控制电动机转速。系统所选用的变频器为中国深圳三拓ST500－2015T型号的变频器，具有过流、过压、缺相、过载、过热及欠压等多相保护功能，一旦发生故障，变频器立即报警跳闸，停止输出;LED监视器上将显示相应的故障代码，电机停转，操作员只要查找手册便可以找到故障的原因，做出相应的处理方法。当故障排除后，按停止键“STOP”即能解除故障报警。变频器的标准配线及启动电路如图5(a)、(b)所示。变频器的驱动由12位D/A转换芯片TLV5618完成［11］。单片机根据按键输入，输出相应的数字量到TLV5618，经过D/A转换后，输出模拟电压驱动变频器。

4播种格盘旋转角度检测及试验

本设计选择使用日本欧姆龙公司的E62－CWZ6C增量式旋转编码器对播种格盘旋转角度进行检测。将编码器的轴与播种格盘的转动轴用联轴器连接起来，当播种格盘转过固定的角度时，编码器就会输出固定个数的脉冲，然后STC89C58型单片机通过分析计算出角度［12］。考虑到当前试验小区的实际长度及小区精密播种机的机车行进速度范围一般为0．7～1．2m/s，试验时分别对播种长度为8、10、12m的“小区”情况下，机车行进速度(地轮转速)为0．7、0．8、0．9、1．0、1．1、1．2m/s时进行了10次测量，然后分别求平均值得到试验数据如表1所示。对应表1，记录不同机车行进速度及不同播种长度下的角度。图6(a)、(b)为两种情况下的曲线。试验过程中，步进电机会发生异常震动，出现失步现象，使得播种格盘转过的角度偏小，发生漏播。结合以上图表可以看出，播种格盘转过的角度并不是360°，而是大于360°，都在375°～395°之间时，才能保证种子全部播完。在机车行进速度为1m/s时，播种转过的角度较稳定，约为380°;行进速度为0．7m/s时，步进电机失步较为严重，角度变化范围也比较大。小区播种长度10m时，步进电机工作较为稳定;播种长度为8m时，步进电机失步较为严重，转过角度变化范围达到近20°。因此，在实际播种过程中，尽量选择1m/s的机车行进速度。当然，其他机车行进速度下，完全可以参考以上图表，通过修改软件进行补偿。试验还发现，在电压允许范围内，通过适当提高驱动器的工作电压也可以减少步进电机失步现象。另外，当人为增加驱动小轮与地轮之间的摩擦力时，地轮会出现打滑现象，此时金属传感器输出的速度小于设定的机车行进速度，电机会停止转动。

5结论

1)小区精密播种机试验台系统可在实验室内较好地完成小区精密播种机的播种过程，包括实际播种过程中的漏播及地轮打滑等现象。2)小区精密播种机电控系统所使用的步进电机确实存在因失步而造成漏播的现象。通过安装旋转编码器完成对播种格盘实际转过角度的检测，发现全部完成播种需要播种格盘转过375°～395°;而在机车行进速度1m/s时，步进电机最稳定，播种格盘转过380°左右即可完成播种。另外，试验发现适当提高驱动器电压可大大降低步进电机失步情况。3)根据实际机车行进速度及小区的播种长度，通过修改软件程序对因失步造成的漏播进行补偿，完全可以提高小区精密播种机的播种性能，效果良好。

作者：员玉良 龚丽农 单位：青岛农业大学 机电工程学院