電驅動高速精密播種技術的研究與發展

侯云濤

摘要：【目的】為我國電驅動高速精密播種技術的研究和應用提供啟示和借鑒?！痉椒ā酷槍ε欧N器的不同驅動方式、排種器直流電機驅動的基本形式、排種盤轉動速度和機具行進速度的測量、排種器驅動電機的控制策略四個方面進行了詳盡分析，闡述了高速精密播種技術的應用現狀、研究方向和發展趨勢?！窘Y果】隨著高速精密播種技術的進步，傳統的排種器驅動模式已經不能夠滿足現代播種作業的要求，嚴重影響株距均勻性，并且其誤播率較高，大大制約了農作物產量和質量的提升?！窘Y論】排種器直流電機驅動能夠滿足高速精密播種模式中精度高、可靠性強的作業目標，因此，作為傳統的排種器驅動模式的替代方案，應當大力加強電驅動高速精密播種技術的研究，相關產品應當在農業生產中得到重點推廣和應用。

關鍵詞：高速精密播種；電機驅動；研究；發展

引言

根據統計數據顯示，2021年國內農業作物的機械播種率達到了60.22%，這表明播種機械在農業生產中發揮了顯著的作用。高速播種技術在提高播種質量、節約種子用量、提高施肥效率等方面具有明顯的優勢。因此作為高效、高品質技術，越來越受到人們的關注和研究[1]。

2015年，意大利Maschio Gaspardo推出了Gaspardo Gigante，它是第一臺使用電動驅動排種器技術的旋耕播種機。2016年，約翰迪爾推出了一款新的高速播種機，稱為MaxEmerge 5e。它可以在每秒10英尺的速度下播種，采用電動驅動系統和智能化控制系統[2]。2018年，德國Lemken公司發布了Solitair 25，可以在高速下播種多種農作物。2020年，日本的Kubota公司推出了一款電驅高速播種機，它可以在每秒5.5英尺的速度下播種小麥、大豆和玉米等作物?？梢钥闯?，排種器電驅作為高速精密播種機的產品級配置已經開始在發達國家的播種作業過程中得到了應用[3]。目前我國的電驅式高速排種器技術仍處于研究和試驗階段。

1 高速播種機的優勢

1.1 能夠提高作業效率

使用高速排種技術，能夠以超過14km/h速度精準地完成播種。這一工作速度比大多數傳統播種機的播種速度快2倍以上[4]。相較于使用同等數量的常規播種機，使用高速播種機等同于每日可增加1倍的工作面積，這有效地促進了農民擴大種植規模。

1.2 能夠節約投入成本

高速播種機的播種作業速度要比傳統播種方式的作業速度快得多，可以在較短時間內完成大面積的播種作業，顯著提高生產效率。高速播種機可以根據設定的作業參數進行精確播種，避免種植密度不均勻，減少漏播和重播的情況，從而減少種子的使用量，節約成本。

1.3 能夠克服氣候影響

高速播種機可以通過快速、準確的種植方式縮短種植期，在惡劣的氣候條件下，種植時間可根據需要作出相應的調整[5]。等待天氣狀況好轉后再行種植，依然能夠保證按期播種，不誤農時。

1.4 能夠促進丘陵山區播種裝備發展

高速播種機可以通過減少播種單體數量的方式縮小整體的外形尺寸，但卻不會影響作業效率，達到了增強機器的機動性、適應能力和穩定性的目的。這樣的優勢使高速播種機可以在相對較窄的丘陵田間道路上行駛，從而有效地促進丘陵山區自動化播種技術的應用和推廣，從而提高該地區播種作業的機械化水平。

2 高速播種機排種器的驅動形式

2.1 排種器地輪驅動

在這種驅動方式中，拖拉機提供動力，將驅動力傳遞給排種器的有級變比傳動機構，再由傳動機構將動力傳遞給排種器。這種傳動方式能夠根據作業需要和田地地形的不同，調整傳動比例和輪子轉速，確保牽引機具的前進速度與排種器中排種盤的轉動速度保持同步，播種粒距通過計算圓整數據進行相關的調整。

排種器地輪驅動模式存在一些缺點，其中最明顯的是當地面濕滑或者地形崎嶇時，地輪容易出現滑移，排種器可能會因速度變化而使播種量不均勻，從而影響精密播種的株距合格率。尤其是對于需要較高精度的播種作物（例如蔬菜等），株距會影響作物的產量和品質。此外，地輪驅動模式還存在其他一些問題，例如地形不平時的顛簸、道路狹窄時的操作困難等。為了解決這些問題，有些現代化的排種器使用液壓或電動驅動系統，而不是地輪驅動系統，以提高播種的精確性和穩定性。

2.2 排種器機械變速器驅動

排種器機械式無級變速器驅動模式是一種通過機械傳動實現無級變速的方式。該驅動模式采用機械傳動，通過變速器的離合器、主從齒輪和錐齒輪等部件，實現拖拉機引擎的動力傳遞到排種器的驅動軸上，并通過機械式無級變速傳動機構調節排種器排種盤的轉動速度。

這種驅動模式具有調速精度高、穩定性好、低速性能優秀等優點，且相比液壓或氣壓馬達驅動，機械式無級變速器驅動的排種器尺寸較小。排種器機械式無級變速器驅動模式的缺點是傳動結構較為復雜，需要采用較多的齒輪、鏈條等傳動件，導致成本較高。此外，機械式無級變速器的調速范圍有限，一般無法達到液壓或氣壓馬達伺服驅動方式的調速范圍，也存在調速精度不高的問題。

2.3 排種器液壓馬達或氣壓馬達伺服驅動

排種器液壓馬達或氣壓馬達伺服驅動模式是指通過安裝液壓馬達或氣壓馬達來驅動排種器，實現種子的精準定量和高效排種。其工作原理是，液壓馬達或氣壓馬達通過傳動軸將動力傳遞給排種器，控制排種器的轉速和排種數量，從而實現精確的種植。

與地輪驅動模式相比，液壓馬達或氣壓馬達伺服驅動模式具有更高的精度和穩定性，可以避免地輪滑動對播種精度的影響。此外，液壓馬達或氣壓馬達伺服驅動模式可以實現自動化控制和可編程功能，方便農民根據不同作物和地形條件進行調整。

雖然這種驅動方式具有調速范圍寬的優點，可以實現更精細的控制，但在低速運行時容易出現不穩定情況。這是因為液壓馬達和氣壓馬達在低速工作時難以保持平穩的輸出，容易出現抖動和不穩定的情況，從而影響播種精度。為了解決這個問題，可以采用步進電機驅動、直流電機驅動等，以提高低速穩定性。

3 排種器直流電機驅動類型

排種器直流電機驅動的基本形式是將直流電機通過傳動機構與排種器相連接，實現精密的播種控制和調節?？刂齐姍C的速度和方向，可以實現各種播種要求的精確控制[6]。通常，控制系統采用現代電子技術，如編碼器、傳感器和微處理器等，對播種過程進行實時監控和控制。電源為電機提供直流電源，通常采用蓄電池。通過這些基本組件，可以實現對排種器的精準控制和調節，從而提高播種效率和作業質量。

排種器直流電機驅動的基本形式有三種：步進電機驅動、直流伺服電機驅動和永磁同步電機驅動。

3.1 步進電機驅動方式

步進電機驅動是一種開環控制的驅動方式，它可以準確地控制驅動電機的轉角和步數，以實現精準的播種定位。通過控制步進電機的步數和轉速，可以實現不同的運動形式和播種參數的調節，從而滿足不同作物的需求[7]。步進電機可以通過單步控制來驅動播種盤，使得播種株距可以達到精密的要求，其特點是定位準確、穩定性好、結構簡單等，且能夠在低速時保持良好的性能。但步進電機驅動也有其缺點，主要體現在速度范圍有限，不能快速響應變化。

3.2 直流伺服電機驅動方式

直流伺服電機驅動方式具有響應快、調節范圍寬、精度高等特點，它具有更好的轉速控制和位置控制能力，可以實現更高的精度和速度，能夠在高速和高負載情況下保持良好的性能，因此在高精度要求的播種場合應用廣泛。其基本原理是通過伺服控制系統，根據傳感器反饋的實時信息對電機進行精確控制，從而實現精度高、穩定性強的播種效果[8]。這種驅動方式不僅能夠適應多種播種形式，還具有自動校準、自動記憶等智能化特點。直流伺服電機驅動可以通過調整電機轉速來控制播種盤的轉動速度，從而實現播種作業的精確定位和精密控制，提高生產效率和作業質量。相較于步進電機驅動，直流伺服電機驅動成本較高。

3.3 永磁同步電機驅動方式

永磁同步電機驅動方式具有體積小、重量輕、效率高等特點，廣泛應用于各種機械設備中。其優點在于具有較高的轉矩密度和較低的能耗，能夠實現高速精準控制，并且在運行過程中幾乎不會出現滑移等現象，可以滿足對精度和速度要求更高的播種作業。此外，永磁同步電機驅動還具有響應速度快、動態性能好等優點。但是，這種驅動方式的調速范圍有限，與其他類型的電機相比，調速范圍相對較??；過載能力相對較低，短時間內過載會導致電機損壞或者運行不穩定，且成本較高。

4 種盤轉速—行進速度測量技術

精準測量種盤轉速和拖拉機行進速度是保證播種質量和效率的關鍵。目前常見的測速方式主要有編碼器—編碼器混合測速、編碼器—雷達測速儀混合測速以及霍爾傳感器—GPS混合測速。

編碼器—編碼器混合測速方式利用兩個編碼器進行測速。在拖拉機驅動軸和排種器種盤軸上分別安裝編碼器。將其信號通過傳感器和控制器進行處理，通過檢測旋轉角度和時間間隔從而得出種盤轉速和拖拉機行進速度[9]。編碼器是一種可以感知運動狀態的傳感器，能夠將運動轉換成電信號進行測量，具有較高的測速精度和穩定性。該測速方式的缺點是編碼器的光柵極易被灰塵等污染，導致信號輸出值的相對差幅度下降，必須及時清理。

編碼器—雷達測速儀混合測速方式則是在拖拉機上安裝雷達測速儀，通過發射雷達波并接收回波，測量出拖拉機行進速度，同時在種盤上安裝編碼器，通過計算旋轉角度和時間間隔得到種盤轉速[10]。編碼器—雷達測速儀混合測速方式可以減少因地形不平等等因素帶來的誤差，提高測速的準確度，但成本相對較高，而且在不良天氣或環境下可能會受到干擾，造成測速不準確。

霍爾傳感器—GPS混合測速則是在種盤上安裝霍爾傳感器，通過檢測磁場的變化計算出種盤轉速，并在拖拉機上安裝GPS，通過測量位置的變化來計算拖拉機行進速度[11-12]。這種測速方式具有無需接觸式測量、精度高、全天候測量等優點，但對于磁場變化較小或位置測量不準確的情況可能會出現誤差。GPS測量的精度受環境因素的影響，例如天氣、建筑物等，需要在開闊的環境下進行測量。

5 排種器驅動電機的控制策略

排種器驅動電機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控制是傳統PID控制器的兩種基本形式[13]，而模糊PID控制是一種基于模糊邏輯的控制方法。它們的目的都是通過控制電機轉速來實現精密的種植操作。

位置式PID控制是通過將目標位置與實際位置之間的誤差傳入控制器，通過不斷地調整控制量，使誤差趨于零，以調整驅動電機的速度，使得實際位置逐漸接近目標位置。這種控制策略可以用于精確控制每個種子的下落位置，進行精準的株距控制，以達到株距一致的目的。該控制方式在控制精度方面具有控制精度高、穩定性好等優點，但缺點是需要消耗大量的計算資源，不利于高速運算，導致系統響應速度較慢。

增量式PID控制策略基于位置式PID控制，但其輸出是控制量的增量，而不是控制量本身。該控制策略通過測量系統的實際位置與期望位置之間的誤差及其變化率，來計算控制量的增量，并通過控制量的累積來控制系統的位置。對于排種器，增量式PID控制可用于調節電機轉速，以適應拖拉機在不同地形和速度下的行進情況，從而控制種子的排放速度。這種控制方式的優點在于計算量較小、實時性強，但控制精度略低于位置式PID控制。

模糊PID控制是一種結合模糊邏輯和PID控制的控制方式，通過模糊邏輯處理模糊輸入變量，得到模糊輸出變量，然后將模糊輸出變量作為PID控制的輸入，實現精密的控制[14-15]。對于排種器，模糊PID控制可用于考慮多種因素，例如拖拉機行進速度、地形坡度、種子種類等，以實現更加智能化的控制。這種控制策略可以適應各種不同的工作條件和控制要求，但需要對模糊控制的算法和參數進行精細的設計和調整。

6 改進建議

排種器直流電機驅動模式的改進方向之一是安裝結構或傳動結構的優化。傳動結構的優化可以提高排種器的效率和可靠性，同時減少能耗和維護成本。以下是四種可能的優化方向。

6.1 傳動結構的改良與優化

為了進一步提高排種器直流電機驅動模式的效率和可靠性，驅動電機連接形式的改良與優化是一個重要的研究方向。傳動結構的優化可以提高排種器的效率和可靠性，同時減少能耗和維護成本。目前的驅動電機連接形式主要采用減速器、聯軸器等傳動機構，但這些機構會導致能量損失和傳動精度下降，從而影響到整個系統的性能。因此，將傳動機構和連接結構的數量減少到最低限度，以減少能量損失和傳動誤差，是一個很好的優化方向。

在未來的研究中，可以采用直接將電機軸與播種器軸相連的直接驅動方式，從而避免傳動機構帶來的能量損失和傳動誤差。此外，還可以采用柔性聯接方式，如彈性聯軸器，來減少由于不同軸的軸線不對齊和運動不平穩導致的振動和噪音。將傳動機構和連接結構的數量減少到最低限度，以減少能量損失和傳動誤差，有效降低系統的復雜度，根本上解決各傳動機構帶來的不穩定因素。

6.2 研發電驅排種專用電機

由于目前市場上存在的電機多數是普通電機，在高負載、低速、長時間工作的情況下，容易出現過載、溫升等問題，因此需要研發適用于精密播種機應用場景的專用特種電機。低轉速、大扭矩的電機可以提高播種精度、穩定性和效率，已經成為排種器直流電機驅動模式未來的研究方向之一。

這種電機可以減少傳動系統的復雜性和零部件數量，使得機器結構更為簡單緊湊，提高了機器的可靠性和耐用性。研究者可以采用先進的磁性材料和新型制造工藝，來實現更高效的磁通密度和更低的磁損耗，提高電機的功率密度和效率；通過改進電機的磁路結構、繞組設計和電控系統等方面，來提高電機的低速高扭矩性能?？傊?，未來的研究方向是在保證驅動系統穩定性的基礎上，繼續探索和優化電機的結構和性能，以生產進一步滿足高速播種場景的需求，實現更加高效、精準的高速精密播種作業。

6.3 提高種盤轉速-機具行進速度測量的可靠性

種盤轉速-機具行進速度測量方式的未來研究方向可以從以下兩個方面來考慮：

（1）多種傳感器混合測速：目前常用的測速方式有編碼器-編碼器混合測速、編碼器-雷達測速儀混合測速和霍爾傳感器-GPS混合測速。未來的發展方向可以是采用多種傳感器混合測速，將多種測速方式的數據進行融合，從而提高測速的精度和穩定性。例如，可以結合編碼器、GPS和慣性導航傳感器等多種傳感器來進行測速，通過多傳感器融合算法，提高測速精度和可靠性。

（2）高效的數據處理技術：采用高效的數字信號處理技術和算法，對多傳感器采集的數據進行校正和濾波，以提高測速數據的準確性和穩定性。例如，可以采用卡爾曼濾波、神經網絡、模糊邏輯等算法對采集的數據進行處理，減小傳感器測量誤差和外部干擾對測量結果的影響，提高測速精度和魯棒性。

6.4 電機控制策略的適配性及優化

電驅播種應用環境通常是在農業作業中，需要在開闊的田地中進行種植作業。因此，電機控制策略的未來研究方向應當考慮到以下兩個因素：

（1）適應復雜的工作場景，包括高速行駛、顛簸路面等因素對電驅播種的影響，要求電機控制策略具備高穩定性和抗干擾能力；

（2）提高播種的準確性和效率，降低播種失誤率和漏種率?？梢圆捎枚喾N控制策略來實現自適應控制、預測控制等技術，提高播種效率和質量。

基于以上考慮，電機控制策略研究方向可以包括以下三個方面。

（1）神經網絡PID控制是一種利用神經網絡對傳統PID控制器進行優化的方法。通過神經網絡的學習和適應能力，可以實現對電機控制的精確控制，進一步提高播種機工作效率和準確度。

（2）自適應控制是指系統能夠自動調節控制參數以適應不斷變化的工作環境。在電驅播種應用中，通過采集和分析作業現場的數據，實時調節控制參數，使播種機能夠在不同的地形、作業速度和負載條件下實現最佳的播種效果。

（3）預測控制是一種通過對未來系統狀態的預測來進行控制的方法。在電驅播種應用中，可以利用模型預測未來的播種狀態，進而優化電機的控制策略，使播種機能夠更好地適應作業環境。

總之，電驅播種應用環境的復雜性要求控制策略具有更高的智能化和適應性，以提高播種效率和準確性。

參考文獻

[1] 趙旭志.國內外高速播種技術及裝備研究[J].當代農機，2023（1）：22-24.

[2] 高迎芬.農用高速精量播種機的研究[J].農機使用與維修，2022（12）：42-44.

[3] 姚潁飛.玉米高速精量播種機電驅排種控制系統設計與研究[D].石河子：石河子大學，2022.

[4] 趙曉順，冉文靜，閆青，等.電控播種系統設計與試驗[J].農機化研究，2022，44（2）：67-73.

[5] 陳永亮.高速免耕播種機單體設計與試驗研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2020.

[6] 楊碩，王秀，高原源，等.電動機驅動玉米氣吸排種器總線控制系統設計與試驗[J].農業機械學報，2019，50（2）：57-67.

[7] 劉春旭，蘆磊，朱炫銘，等.排種器智能集成電驅裝置的研制[J].農機化研究，2022，44（11）：131-134.

[8] 郭宏亮，趙瑜會，李名偉，等.基于BLDCM的智能播種控制系統設計[J].農機化研究，2019，41（2）：201-205+210.

[9] 印祥，楊騰祥，金誠謙，等.玉米精量播種智能控制系統研制[J].農機化研究，2018，40（9）：125-128+133.

[10] 張春嶺，吳榮，陳黎卿.電控玉米排種系統設計與試驗[J].農業機械學報，2017，48（2）：51-59.

[11] 馮玉崗，金誠謙，袁文勝，等.基于衛星測速小麥精量電驅式播種控制系統[J].中國農機化學報，2020，41（12）：124-130.

[12] 姜斌，尹海峰.基于北斗導航系統的拖拉機測速方法研究與實現[J].農業機械，2019（10）：83-85.

[13] 趙天才，余洪鋒，郝向澤，等.基于PID算法的水稻直播機播量控制系統的設計與試驗[J].華南農業大學學報，2019，40（2）：118-125.

[14] 趙曉順，趙達衛，閆青，等.基于模糊PID的電控精量播種系統與試驗研究[J].河北農業大學學報，2021，44（1）：120-127.

[15] 姚潁飛，陳學庚，紀超，等.基于模糊PID控制的玉米精量播種機單體驅動器設計與試驗[J].農業工程學報，2022，38（6）：12-21.