Rui Su Yingke Zynq 7015-Formel-Elektroauto mit Kernplatine gewinnt den FS-Wettbewerb
ynq 7015 Kernplatine Formelrennen
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Die Formula Student ist der weltweit größte Ingenieurwettbewerb. Dank eines innovativen elektrischen Antriebssystems auf Basis von FPGA-Modulen hat das AMZ-Studententeam in Zürich, Schweiz, den Wettbewerb erfolgreich gewonnen. Der Rennwagen des AMZ-Teams ist mit 4 Wechselrichtern ausgestattet, die auf dem Enclustra Mercury ZX5-Coreboard (basierend auf dem Xilinx Zynq 7015 SoC) basieren und die schnellste Rundenzeit schaffen.
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Bei der Formula College Student Competition finden jedes Jahr 18 Rennen statt, an denen mehr als 600 Studententeams teilnehmen. Das Rennteam AMZ (Akademischer Motorsportverein Zürich) setzt sich aus Studierenden der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und der Schweizerischen Fachhochschule Luzern zusammen.In der Geschichte dieser Veranstaltung seit mehr als zehn Jahren aufgrund der kontinuierlichen Verbesserung der Konzepte und die Einführung von Innovationen, wie der Einsatz von FPGA-Coreboard-Modulen Zur Ansteuerung des elektrischen Antriebsmotors stellte es einen Weltrekord für ein Elektroauto auf, das in 1,513 Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigt. Um die Wettbewerbsfähigkeit zu sichern, müssen die verschiedenen Komponenten des Rennwagens aufeinander abgestimmt und zu einem zuverlässigen Hochleistungssystem integriert werden, dafür hat AMZ die meisten Komponenten selbst entwickelt.

Aufstrebende Straße

Das Ziel des Rennens Eiger (alle Autos sind nach den Schweizer Bergen benannt) ist es, im Rennen möglichst viele Punkte zu holen, was durch das Erreichen der schnellsten Rundenzeit erreicht wird. Durch Simulation der Rundengeschwindigkeit, Energieberechnung und Protokolldatenanalyse der letzten Saisons entschied sich AMZ für ein rein kundenspezifisches Allradantriebssystem, eine kohlenstofffaserverstärkte Polymer (CFK)-Single-Storage-Struktur, Computational Fluid Dynamics (CFD) und verifiziert durch Wind Die Luftfahrtmontage und hydraulische Federung.

Wechselrichter basierend auf FPGA-Core-Board

Erstmals in der Geschichte von AMZ hat das Team alle Komponenten des Antriebssystems selbst entwickelt. Schließlich wurde der Wechselrichter auf Basis des FPGA-Coreboards von Enclustra entwickelt. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der Lithiumbatterie in dreiphasigen Wechselstrom um, um den permanentmagneterregten Synchronmotor zu betreiben.

Vier selbstentwickelte Wechselrichter steuern jeweils einen Motor, ein selbstentwickelter Direct Torque Control (DTC)-Modulator läuft auf der Enclustra Mercury ZX5-Kernplatine (basierend auf Xilinx Zynq 7015 System-on-Chip). VHDL ermöglicht es, den aktuellen Motorstrom abzuschätzen und alle 10 Nanosekunden die neue Schalterposition zu berechnen – dies ist mit einem Mikrocontroller oder einem DSP-basierten System unmöglich.
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Das maßgeschneiderte 1200-Volt-SiC-MOSFET-Modul hat einen Einschaltwiderstand von nur 10 Milliohm, verwendet einen selbst entwickelten Smart-Gate-Treiber und verwendet 3D-gedruckte Kühlrippen für die Wasserkühlung, was Leitungs- und Schaltverluste reduziert, die Schaltgeschwindigkeit verbessert und den Anstieg reduziert Zeit bis 39 Nanosekunden. Zwei zusätzliche 47 Nanofarad DC-Anschlusskondensatoren auf der Hauptplatine können die Leistungsschleifeninduktivität reduzieren. Ein Hybrid-Gleichstromkreis mit 6 Mikrofarad Ceralink Keramikkondensatoren und 240 Mikrofarad Folienkondensatoren wird verwendet, um das Gewicht zu reduzieren und die Welligkeit der Zwischenkreisspannung zu reduzieren. Die beiden Platinen sind mit 1 mm Kupfer-Inlets für den Anschluss des Traktionssystems ausgelegt, um die Fläche der Platine zu reduzieren. Zur Steuerung des Motors erfolgt die Messung von Drehstrom, DC-Anschlussspannung und -strom sowie Leiter-Leiter-Spannung bis zu 1 Million Abtastungen pro Sekunde. Über einen Resolver wird die aktuelle Position des Motors ermittelt. Gigabit-Ethernet- und CAN-Anschlüsse sorgen für eine schnelle und sichere Kommunikation zwischen Fahrzeug und Prüfstand. Für ein Höchstmaß an Individualisierung wird die gesamte Wechselrichtersoftware im eigenen Haus entwickelt.

Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury Mercury ZX5 SoC-Kernplatine

Die Recheneinheit entschied sich für System-on-Chip (SoC). In den meisten Fällen ist das nackte SoC in BGA verpackt, das schwer zu löten ist und mehrere PCB-Schichten erfordert, um das Signal zum Chip zu leiten. SoC benötigt auch viele Peripheriegeräte wie Speicher, Takt, Schnittstelle und komplexe Stromversorgung. Das Mercury ZX5 SoC-Coreboard von Enclustra (Ruisu Yingke) bietet alle oben genannten Funktionen auf einem kleinen PCB. Das Coreboard enthält 1GB DDR3L SDRAM, 512MB Nand Flash, einen Ethernet PHY und ein Netzteil für alle Spannungen. Die Kernplatine kann sogar die Schaltkreise auf der Backplane mit Strom versorgen, wodurch der Bedarf an Stromwandlern minimiert wird.
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Reichlich Rechenleistung

Aufgrund der Notwendigkeit einer sehr geringen Latenz und einer hohen Bildwiederholfrequenz werden der Modulator und die gesamte Kommunikation mit Peripheriegeräten auf FPGA implementiert. Alle wichtigen Sicherheitsfunktionen sind auf FPGA implementiert Die Verzögerungszeit des Überstromschutzes beträgt maximal 1 Mikrosekunde und die Verzögerungszeit des Überspannungsschutzes beträgt maximal 2 Mikrosekunden. Auf dem FPGA und dem Prozessor ist ein mehrschichtiges redundantes Sicherheitssystem implementiert, das sich gegenseitig überwacht und bei Inkonsistenzen den Wechselrichter abschaltet.

Auf einem Kern des ARM Cortex-A9-Prozessors sind einige fortschrittliche Steuerungen wie Geschwindigkeits- und Traktionskontrolle implementiert, der andere Kern ist für die Kommunikation mit der Fahrzeugsteuereinheit (VCU) oder dem Steuercomputer und für die Datenaufzeichnung verantwortlich .

Schnittstelle mit hoher Bandbreite

Die kompilierte Firmware und der Bitstream werden auf die SD-Karte kopiert und in die Wechselrichter-Backplane gesteckt. Beim Start kopiert der Bootloader die Firmware in den Speicher und lädt den Bitstream in die FPGA-Struktur.

FPGA verarbeitet alle Strommessungen mit einer Abtastrate von 1 Million pro Sekunde (1MSps) und verarbeitet Spannungsmessungen mit einer Rate von 500.000 pro Sekunde (500 kSps). Auf diese Komponenten wird über ein SPI-basiertes Protokoll zugegriffen. Die Motorposition wird von einem Resolver mit einer 33-kSps-Parallelschnittstelle gemessen. Die Daten werden nicht nur direkt vom Modulator verwendet, sondern auch über das integrierte AXI PL-PS-Interconnect an den Prozessor übertragen. Mit dieser Technologie kann der Prozessor einfach die Konfigurationsdaten ändern und den Wert des FPGA über Speicherzugriffsbefehle lesen.

Außerdem kann man aus der FPGA-Struktur auch direkt auf den DDR3-RAM des Mercury ZX5-Core-Boards zugreifen. Auf diese Weise kann eine große Menge an Protokolldaten ohne Verwendung eines Prozessors in den Arbeitsspeicher übertragen werden. Anschließend werden die Daten zur Offline-Analyse auf der SD-Karte gespeichert, bevor der Wechselrichter abgeschaltet wird.

Die Temperatur des Halbleiter- und Ausgangsfilters wird mit dem eingebauten XADC des SoC gemessen und direkt am Prozessor verwendet. Im Auto ist der Wechselrichter über die CAN-Schnittstelle und die VCU direkt mit dem Verarbeitungssystem verbunden. Um den Wechselrichter auf dem Prüfstand zu betreiben und mit dem Computer zu verbinden, wird eine Ethernet-Schnittstelle verwendet.

Vereinfachte Stromversorgung

Das Mercury ZX5 Core Board wird von einem einzelnen 5~15 V Netzteil gespeist.Der Onboard DC/DC Wandler liefert alle internen Spannungen und die auf dem Board umgewandelte Spannung wird auch zum Anschluss geführt. Diese 3,3 V und 1,8 V werden verwendet, um die analogen und digitalen Schaltkreise auf der Wechselrichter-Backplane zu versorgen. Da das oben erwähnte Netzteil bereitgestellt wurde, wird der für die Stromversorgung erforderliche Aufwand minimiert, wenn der Benutzer die Kernplatine auf Basis von Enclustra entwickelt.
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Umfangreiche Designunterstützung

Um die Integration seiner Module zu vereinfachen, stellt Enclustra neben Benutzerhandbüchern, Schaltplänen, 3D-Modellen, PCB-Packaging- und Differential-I/O-Längentabellen sowie detaillierten Dokumenten alle erforderlichen Hardware-, Software- und Hilfsmaterialien zur Verfügung es einfach zu starten. Dadurch wird das Risiko von Pin-Kalibrierungsfehlern minimiert.

Die Enclustra Build Environment (EBE) kann verwendet werden, um das in den ARM-Prozessor integrierte Enclustra SoC-Core-Board zu kompilieren, was sehr reibungslos abläuft. Über die grafische Oberfläche werden Core Board und Bottom Board ausgewählt, danach lädt EBE den passenden Bitstream, den First Stage Bootloader (FSBL) und den benötigten Quellcode herunter und kompiliert schließlich U-Boot, Linux und die Root-Datei auf Basis von BusyBox System.

Mit dem kostenlosen Modulkonfigurationstool (Module Configuration Tool, MCT) von Enclustra können Kernplatine und Backplane ohne zusätzliche Hardware über USB konfiguriert werden. Über den USB-Anschluss auf der unteren Platine können Benutzer den FPGA-Core-SPI-Flash des Core-Boards programmieren, das EEPROM des Core-Boards lesen und Peripheriegeräte konfigurieren. Eventuelle Probleme von AMZ während der Entwicklung des Wechselrichters können mit Unterstützung von Enclustra schnell behoben werden.

Die Evolution der nächsten Renngeneration

Der neue Inverter von AMZs Racing Mythen der nächsten Generation basiert wieder auf dem Enclustra Mercury ZX5 Coreboard. Durch diesen neuartigen Wechselrichter wird die Glasfaserverbindung zwischen den beiden Mercury ZX5 Core Boards im Rennwagen realisiert. Dazu werden Gigabit-Transceiver verwendet. Auch das kleinere Mars Mars ZX2-Coreboard wurde von AMZ evaluiert, seine I/O-Anzahl reicht jedoch nicht aus.

Das Konzept des Mythen-Antriebssystems hat sich von 4 Wechselrichtern (1 Wechselrichter steuert 1 Motor/Rad) auf 2 Wechselrichter (jeder Wechselrichter steuert 2 Motoren) geändert. Durch dieses neue Konzept können viele Hilfsstromkreise kombiniert werden, die Komplexität wird reduziert und zudem wird wertvoller Platz gespart. Darüber hinaus eröffnet es die Möglichkeit, fortschrittlichere Regelalgorithmen zu implementieren, die auf mehrere Motoren wirken.

Über Formula Student

Die Formula University Student Competition ist der weltweit größte Ingenieurwettbewerb, der 1981 ins Leben gerufen wurde. Ziel des Wettbewerbs ist es, angehende Ingenieure innerhalb eines Jahres an die Entwicklung, Produktion, Montage, Erprobung und den Wettbewerb von Elektro- oder Öl-Rennwagen heranzuführen. Sieger ist nicht unbedingt das Team mit dem schnellsten Auto, sondern das Team mit der besten Kombination in Bezug auf Struktur, Performance, Finanzplanung und Verkaufsargumente. Um den potenziellen Ingenieurnachwuchs auszubilden, auf Zukunftstechnologien (z. B. Elektroantriebe) vorzubereiten und den Innovationsprozess zu fördern, hat die Wettbewerbskommission 2010 zudem eine eigene Wettbewerbseinheit für Elektrofahrzeuge eröffnet.

Über Enclustra

Enclustra ist eines der weltweit führenden Unternehmen im FPGA-Bereich. Es wurde 2004 in der Schweiz gegründet und wurde offizieller Partner von Xilinx. Es ist auch ein Intel FPGA Gold Solution Provider und ein offizieller Lattice Solution Provider, der FPGA Core Boards/Entwicklung anbietet Boards, FPGA-IP-Cores und Full-Stacks Design-Services, die derzeit über 1600 Kunden in über 70 Ländern weltweit bedienen. Im Jahr 2019 trat das Unternehmen offiziell in den chinesischen Markt ein und gründete eine hundertprozentige Tochtergesellschaft Ruisu Yingke (Shenzhen) Technology Co., Ltd. Zu Beginn seiner Gründung wurde ein lokales Ingenieurteam gegründet, um chinesischen Kunden einen besseren lokalisierten Support und Service zu bieten .