【摘 要】
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玉米是我国三大粮食作物之一,种植面积和总产量目前位居世界第二位。玉米是重要的粮食资源和工业原料,其产量、质量、储量对国家安全具有十分重要战略意义。2020年,我国玉米产量2.6067亿吨,种植规模与产量稳步增长,与此同时,对玉米“种-管-收”全程机械化提出了更高的要求,尤其在玉米播种环节,播种质量的优劣直接影响后期管理与产量。在提倡规模化生产的现代农业背景下,提高玉米播种合格率、推广玉米精量播种技
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玉米是我国三大粮食作物之一,种植面积和总产量目前位居世界第二位。玉米是重要的粮食资源和工业原料,其产量、质量、储量对国家安全具有十分重要战略意义。2020年,我国玉米产量2.6067亿吨,种植规模与产量稳步增长,与此同时,对玉米“种-管-收”全程机械化提出了更高的要求,尤其在玉米播种环节,播种质量的优劣直接影响后期管理与产量。在提倡规模化生产的现代农业背景下,提高玉米播种合格率、推广玉米精量播种技术,对实现玉米生产全程机械化具有重要意义。目前,玉米精量排种器多采用地轮传动方式驱动,播种机高速作业时容易出现滑移率增高、播种合格率降低和漏播率升高等现象,本研究以研究高速作业条件下玉米播种机排种器的随动性能为出发点,采用数学建模、对比仿真、研制样机、性能测试、田间试验等手段,开展气吸式玉米播种机电驱动排种器控制机理与监控系统理论与试验研究。主要研究内容如下:（1）排种器负载特性测定。选取v Set气吸式排种器作为研究对象,研制了负载状态/参数检测试验台,完成气吸式排种器在增速、匀速、减速条件下负载扭矩动态测量试验,获得了不同工况下气吸式排种器负载变化规律,确定了以负载扭矩、转速范围、输出功率为依据的驱动电机选型原则。通过试验测量,气吸式排种器在0km/h-15km/h启动加速所需扭矩最大值=1.836N.m,转速≥390r/min,功率(（9）≥18.37W选择TS37GB3625型无刷直流电机作为气吸式排种器的驱动电机,匹配2模18齿齿轮构成电驱动排种器动力系统。（2）控制模型建立与仿真分析。采用PWM调速系统的排种器驱动电机转速、电流双闭环控制条件下的数学模型,设计了排种器驱动电机的转速、电流闭环调速系统,在MATLAB软件中对直流永磁无刷电机的PWM模型进行仿真,测试调速系统在转速变化、负载扰动情况下的系统稳定性及响应特性。设计永磁无刷直流电机控制方案,建立了直流永磁无刷电机双模式控制系统的运行模式。对PID控制模型、模糊PID控制模型和带有SMO的滑模变结构模型进行仿真研究,通过对比试验测试三种控制模型模型在系统响应时间、稳定性等方面的性能。（3）研制电驱精量播种装置监控系统。研制气吸式播种机电驱动排种器监控系统,通过GSM网络实现与服务器、终端机之间的播种机实时数据共享。监控系统依据机车前进速度和预定的播种间距数据,通过滑模变结构控制算法计算后输出控制直流永磁无刷电机的PWM信号,实现播种机前进速度与排种器转速之间的动态同步控制。开发监控系统配套的上位机下位机软件,实现命令传达、数据轮询、故障报错、系统启停等功能。研发基于Android系统的手机APP,实现播种机运行数据的实时共享和远程监测。（4）监控系统主要性能研究。对气吸式播种机电驱排种器监控系统的响应时间进行分析,通过监测机车前进速度与电驱排种器达到同步转速之间的时间差,测量监控系统的响应时间,分析产生延迟的主要原因。试验结果表明,电驱动排种器监控系统整体随动性较好,平均偏差在3.19%左右,在监控系统启动时的偏差最大。对电驱排种器功耗问题进行试验,设计了不同工况下排种器驱动电机的工作时长测定。试验结果表明:电驱动排种器功耗与播种机作业速度成正比,与排种器充种负压值成反比,试验中最大功耗出现在播种机作业速度12km/h、充种负压3k Pa时,系统最大功耗15.48W。电驱动排种器静态功耗为3.86W范围内。（5）田间试验。利用自行研制的2行气吸式电驱动播种机,以粒距合格指数、标准差和变异系数为试验指标,对电驱动排种器与地轮驱动排种器在低速、中速、高速工况下播种间距对比试验,用以验证电驱动排种器的总体性能。试验结果表明:电驱动排种器不同工况下播种间距实测值在17.6cm-33.5cm之间;地轮驱动排种器的播种间距在12.6cm-45.0cm之间;电驱动排种器播种的标准差S分布在[1.49-2.65]之间,地轮驱动排种器播种的标准差S分布在[1.49-5.87]之间。电驱动排种器在工况下播种变异系数在6.00%-10.42%之间,地轮驱动排种器的播种变异系数在7.40%-22.18%之间。电驱动排种器在高速运行条件下的播种合格率、播种平均间距、标准差分布和变异系数均优于地轮驱动排种器。
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