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基于电机驱动的定位施肥控制系统设计与试验
资料介绍
在准确的位置投入适量的肥料是满足农田精细施肥作业的基本需求。为了实现以玉米苗期根部位置为依据的定位施肥作业,设计了一种基于电机驱动的定位施肥控制系统,该系统硬件部分主要由上位机、下位机处理器、电机和驱动器组成。分析了定位施肥过程中的迟滞现象,建立了施肥位置滞后模型;将滞后距离作为提前量,实时置入控制系统,提出了阈值控制算法;最后,通过试验平台对该控制系统稳定性和准确性进行验证。试验结果表明,该控制系统在电机转速50～201 r/min的范围内运行稳定,平均系统响应时间为0. 8 s。
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7
农 业 机 械 学 报
50
第 卷 增刊
年
月
doi: 10． 6041 /j． issn． 1000-1298． 2019． S0． 015
基于电机驱动的定位施肥控制系统设计与试验
1，2
1，2
1，2
赵 硕
宗 泽
刘 刚
( 1．
，
中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室 北京
100083;
2． ， 100083)
中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室 北京
: 。
摘要 在准确的位置投入适量的肥料是满足农田精细施肥作业的基本需求 为了实现以玉米苗期根部位置为依据
， ， 、
的定位施肥作业 设计了一种基于电机驱动的定位施肥控制系统 该系统硬件部分主要由上位机 下位机处理器
、
。 ， ; ，
电机和驱动器组成 分析了定位施肥过程中的迟滞现象 建立了施肥位置滞后模型 将滞后距离作为提前量 实时
， ; ， 。
置入控制系统 提出了阈值控制算法 最后 通过试验平台对该控制系统稳定性和准确性进行验证 试验结果表
，
明 该控制系统在电机转速
50 ～ 201 r/min ， 0. 8 s。
的范围内运行稳定 平均系统响应时间为
: ; ; ; ;
关键词 定位施肥 控制系统 电机驱动 设计 试验
: S126 : A : 1000-1298( 2019) S0-0091-05
文献标识码 文章编号
中图分类号
Design and Test on Position Fertilization Control System
Based on Motor Drive
1，2
1，2
1，2
ZHAO Shuo
ZONG Ze
LIU Gang
( 1． Key Laboratory of Modern Precision Agriculture System Integration Research，Ministry of Education，
China Agricultural University，Beijing 100083，China
2． Key Laboratory of Agricultural Information Acquisition Technology，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，
China Agricultural University，Beijing 100083，China)
Abstract: Appropriate amount of fertilization in an accurate position is the basic requirement for meeting
the precise fertilization operation in the field． The domestically used ground-wheel-driven fertilizer
applicator can not be controlled in real time to meet the requirements of fertilization accuracy． The outer-
groove wheel fertilizer has a simple structure to be controlled by a motor easily． In order to realize the
positioning and fertilization operation based on the root position of the corn seedling stage，a position
fertilization control system was designed based on a motor drive，which mainly included the master
computer，the slave computer processor，the motor and the driver． The problem of fertilization lag was
widespread in fertilization research，which was effectively solved． The factors causing the delay time were
analyzed and the lag model of the fertilization position was established，the stability of the control system
was improved and the error was reduced． A threshold control algorithm was proposed for placing the lag
distance as the advance amount into the control system． The stability and accuracy of the control system
were verified by a test platform． The test results show that the control system can control the speed of the
fertilizing motor in the range of 50 ～ 201 r/min stably，and complete the position fertilization with an
average response time of 0. 8 s． The results of this study can reduce the delay of fertilization and improve
the accuracy of fertilization positioning．
Key words: position fertilization; control system; motor driven; design; test
［1］
。
式可以保证玉米稳产高产
目前玉米施肥机械
0
引言
，
仍普遍采用化肥条施的方式进行施肥 容易造成肥
［2 － 5］
，
玉米是我国重要粮食作物之一 适当的施肥方
。
为进一步提高肥料利用
料浪费和环境污染
: 2019 － 04 － 15
: 2019 － 05 － 27
收稿日期
修回日期
:
基金项目 国家重点研发计划项目
( 2016YFD0200600 － 2016YFD0200605)
:
作者简介 赵硕
( 1995—) ， ，
，
男 硕士生 主要从事电子与通信技术和精准施肥技术研究
，E-mail: 18813075591@ 163． com
，E-mail: pac@ cau． edu． cn
:
通信作者 刘刚
( 1966—) ， ， ， ，
男 教授 博士生导师 主要从事精细农业及其支持技术研究
92
2 0 1 9
年
农
业
机
械
学
报
， ，
率 需开展精细施肥作业研究 并将肥料连续条施改
。
为定位点施
［6］
文献
对中耕施肥机进行追肥作业时常用的
， ，
几种排肥器结构和性能进行了阐述 其中 外槽轮式
， ，
排肥器结构简单 便于控制 可以稳定排放流动性较
［7］
［8］
。
好的颗粒肥
施印炎等 基于离散元法研究排
1
图
控制系统硬件框图
，
肥器开度和排肥轴转速对排肥性能的影响 通过控
Fig． 1 Hardware block diagram of control system
。
制排肥轴转速可以改善施肥效果 使用地轮驱动式
1 ∶ 1。
， ，
该款步 进 电 机 步 距 角 小 精 度 高 由
比为
，
外槽轮排肥器的施肥机在我国应用较为广泛 但这
［9］
TB6600
。
型步进电机驱动器进行驱动 该型号驱动
，
种施肥机不便对排肥轴进行转速控制
无法满足
7 8
器可通过六位拨码开关进行 种细分模式和 挡输
。
定位施肥的控制精度要求
。
出电流的选择 通过细分控制方式减弱电机低频振
［10 － 12］
文献
建立了变量施肥控制系统的数
， ， 。
动 使电机运行更平稳 控制效果更好 在断电情况
，
学模型 采用
PID
，
反馈法等控制策略 提高了施肥量
，
下对驱动器细分数进行选择 可改变步进电机的步
。 ［13 － 19］
的准确性和控制系统稳定性 文献 将施
。
距角
，
肥机具的实际行进速度和施肥处方信息相结合 通
。
过控制排肥轴的开度和转速实现了变量施肥 已有
1. 3
控制算法设计
， ，
变量施肥研究中 施肥滞后现象普遍存在 但相关文
，
在施肥过程中 只需沿施肥机前进方向进行落
［20 － 21］
。
献并未对此进行深入研究 孟志军等
对施肥
， 。
肥 即可满足苗期玉米生长要求 因此在对施肥位
，
位置滞后量进行了试验测定 为修正施肥作业中施
，
置精度进行分析时 只考虑在施肥机前进方向上的
，
肥位置的滞后提供了理论依据 但未对控制系统中
。 2
施肥距离误差 控制系统流程如图 所示
。
，
各部分的响应延迟作进一步分析 使系统对施肥位
。
置滞后距离的获取存在误差
本文设计一种基于电机驱动的定位施肥控制系
， ，
统 建立施肥滞后距离的数学模型 并结合阈值控制
，
算法 提高定位施肥位置精度
。
1
系统设计
1. 1
系统总体设计
、
定位施肥控制系统由上位机计算机 下位机处
、 、
理器 步进电机驱动器及配套步进电机 排肥轴和外
。
槽轮式排肥器组成 上下位机通过
UART
通信进行
。
落肥指令的发送和施肥执行的反馈 上位机发出排
，
肥轴转动角信号 下位机将接收到的转动角信号转
，
换为脉冲信号 驱动步进电机带动排肥轴转动相应
， ，
角度 颗粒状肥料随肥槽转动流出外槽轮 实现了一
。
次完整的定位施肥过程
1. 2
硬件设计
1
。
控制系统硬件框图如图 所示 其中下位机选
STM32F407 TPYBoard
开发
用搭载
处理器芯片的
，
9
( 2
)
18
板 该开发板自带
组
个一组 共
个可进行
接线与上位
。
端口相连实现双向数据传输 下位机通
UART
，
USB UART
通信的引脚 通过
转
USB
机的
过改变引脚电平高低 生成脉冲信号 驱动电机转动
2
图
控制系统流程图
，
，
Fig． 2 Flow chart of control system
，
带动排肥轴 实现对施肥过程的稳定控制
。
，
分析控制系统各环节产生的时间延迟 结合实
57BYG250D
型步进电机输出轴和排肥轴通过
，
时地速信息 建立施肥位置滞后距离的数学模型
。
，
单膜片联轴器进行连接 步进电机与排肥轴的传动
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