El coche eléctrico de fórmula Rui Su Yingke Zynq 7015 impulsado por placa base gana el concurso FS
ynq 7015 core board Formula racing
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Formula Student es la competición de ingenieros más grande del mundo. Gracias a un innovador sistema de accionamiento eléctrico basado en módulos FPGA, el equipo de estudiantes de AMZ en Zurich, Suiza ganó con éxito la competencia. El coche de carreras del equipo AMZ está equipado con 4 inversores basados en la placa base Enclustra Mercury ZX5 (basada en Xilinx Zynq 7015 SoC), lo que crea el tiempo de vuelta más rápido.
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Hay 18 carreras cada año en la Competencia de Estudiantes de Formula College, con la participación de más de 600 equipos de estudiantes. El equipo de carreras AMZ (Akademischer Motorsportverein Zürich) está compuesto por estudiantes del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich y la Universidad Suiza de Ciencias Aplicadas de Lucerna. En la historia de este evento durante más de diez años, debido a la mejora continua de conceptos y la introducción de innovaciones, como el uso de módulos de placa base FPGA Para controlar el motor de accionamiento eléctrico, creó un récord mundial para que un automóvil eléctrico acelerara de 0 a 100 km / h en 1.513 segundos. Para garantizar la competitividad, los diversos componentes del coche de carreras deben coordinarse e integrarse en un sistema fiable de alto rendimiento. AMZ ha desarrollado la mayoría de los componentes por sí mismo para lograrlo.
Camino aspiracional
El objetivo de competir con Eiger (todos los coches llevan el nombre de las montañas suizas) es conseguir la mayor cantidad de puntos posible en la carrera, lo que se consigue al alcanzar el tiempo de vuelta más rápido. Mediante simulación de velocidad de vuelta, cálculo de energía y análisis de datos de registro de las últimas temporadas, AMZ decidió adoptar un sistema de tracción en las cuatro ruedas puramente personalizado, estructura de almacenamiento único de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP), dinámica de fluidos computacional (CFD) y verificado por el viento El conjunto de aviación y suspensión hidráulica.
Inversor basado en placa base FPGA
En la historia de AMZ, esta es la primera vez que el equipo ha desarrollado todos los componentes del sistema de energía por sí mismo. Finalmente, se desarrolló el inversor, basado en la placa base FPGA de Enclustra. El inversor convierte la corriente continua de la batería de litio en corriente alterna trifásica para hacer funcionar el motor síncrono de imanes permanentes.
Cuatro inversores de desarrollo propio controlan un motor cada uno; un modulador de control de par directo (DTC) de desarrollo propio se ejecuta en la placa central Enclustra Mercury ZX5 (basada en el sistema en chip Xilinx Zynq 7015). VHDL permite estimar la corriente actual del motor y calcular la nueva posición del interruptor cada 10 nanosegundos; esto es imposible con un microcontrolador o un sistema basado en DSP.
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El módulo MOSFET de SiC personalizado de 1200 voltios tiene una resistencia de encendido de solo 10 miliohms. Utiliza un controlador de compuerta inteligente de desarrollo propio y utiliza aletas de enfriamiento impresas en 3D para el enfriamiento por agua, lo que reduce las pérdidas de conducción y conmutación, mejora la velocidad de conmutación y reduce el aumento tiempo A 39 nanosegundos. Dos condensadores de conexión de CC de 47 nanofaradios adicionales en la placa base pueden reducir la inductancia del bucle de potencia. Se utiliza un circuito de CC híbrido con condensadores cerámicos Ceralink de 6 microfaradios y condensadores de película de 240 microfaradios para reducir el peso y reducir la ondulación del voltaje del enlace de CC. Los dos PCB están diseñados con entradas de cobre de 1 mm para la conexión del sistema de tracción para reducir el área de la placa de circuito. Para controlar el motor, la medición de corriente trifásica, voltaje y corriente de conexión de CC y voltaje entre fases es de hasta 1 millón de muestras por segundo. Se utiliza un resolver para determinar la posición actual del motor. Las conexiones Gigabit Ethernet y CAN garantizan una comunicación rápida y segura entre el automóvil y el banco de pruebas. Para lograr el mayor grado de personalización, todo el software del inversor se desarrolla internamente.
Placa base Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury Mercury ZX5 SoC
La unidad de procesamiento eligió System-on-Chip (SoC). En la mayoría de los casos, el SoC desnudo está empaquetado en BGA, que es difícil de soldar y requiere múltiples capas de PCB para llevar la señal al chip. SoC también necesita muchos periféricos, como memoria, reloj, interfaz y fuente de alimentación compleja. La placa base Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury ZX5 SoC proporciona todas las funciones anteriores en una PCB de tamaño pequeño. La placa base contiene 1GB DDR3L SDRAM, 512MB Nand Flash, Ethernet PHY y una fuente de alimentación para todos los voltajes. La placa base puede incluso suministrar energía a los circuitos en el backplane, minimizando la necesidad de convertidores de energía.
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Poder de computación abundante
Debido a la necesidad de una latencia muy baja y una alta frecuencia de actualización, el modulador y todas las comunicaciones con los periféricos se implementan en FPGA. Todas las funciones de seguridad clave están implementadas en FPGA El tiempo de retardo de la protección contra sobrecorriente es como máximo de 1 microsegundo y el tiempo de retardo de la protección contra sobretensión es como máximo de 2 microsegundos. Se implementa un sistema de seguridad redundante de múltiples capas en el FPGA y el procesador El procesador y el FPGA se monitorean entre sí y apagan el inversor cuando ocurren inconsistencias.
Algunos controles avanzados, como el control de velocidad y el control de tracción, se implementan en un núcleo del procesador ARM Cortex-A9; el otro núcleo es responsable de comunicarse con la unidad de control del vehículo (VCU) o la computadora de control, y es responsable de la grabación de datos. .
Interfaz de gran ancho de banda
El firmware compilado y el flujo de bits se copian en la tarjeta SD y se insertan en la placa posterior del inversor. Al inicio, el cargador de arranque copia el firmware en la memoria y carga el flujo de bits en la estructura FPGA.
FPGA procesa todas las mediciones de corriente a una tasa de muestreo de 1 millón por segundo (1MSps) y procesa las mediciones de voltaje a una tasa de 500.000 por segundo (500 kSps). Se accede a estos componentes a través de un protocolo basado en SPI. La posición del motor se mide mediante un resolver con una interfaz paralela de 33 kSps. Además de ser utilizados directamente por el modulador, los datos se transmiten al procesador a través de la interconexión AXI PL-PS integrada. Con esta tecnología, el procesador puede simplemente cambiar los datos de configuración y leer el valor de la FPGA a través de las instrucciones de acceso a la memoria.
Además, también puede acceder directamente a la memoria RAM DDR3 de la placa base Mercury ZX5 desde la estructura FPGA. De esta forma, se puede transferir una gran cantidad de datos de registro a la RAM sin utilizar un procesador. Luego, los datos se almacenan en la tarjeta SD para su análisis fuera de línea antes de que se apague el inversor.
La temperatura del semiconductor y del filtro de salida se mide con el XADC integrado del SoC y se usa directamente en el procesador. En el automóvil, el inversor está conectado directamente al sistema de procesamiento a través de la interfaz CAN y la VCU. Para ejecutar el inversor en el banco de pruebas y conectarlo a la computadora, se utiliza una interfaz Ethernet.
Fuente de alimentación simplificada
La placa base Mercury ZX5 funciona con una única fuente de alimentación de 5 ~ 15 V. El convertidor CC / CC integrado proporciona todos los voltajes internos, y el voltaje convertido en la placa también se dirige al conector. Estos 3,3 V y 1,8 V se utilizan para alimentar los circuitos analógicos y digitales en el panel posterior del inversor. Debido a que se ha proporcionado la fuente de alimentación mencionada anteriormente, el trabajo requerido para la fuente de alimentación se minimiza cuando el usuario desarrolla la placa base basada en Enclustra.
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Amplio soporte de diseño
Para simplificar la integración de sus módulos, Enclustra proporciona todo el hardware, software y materiales de soporte necesarios, además de manuales de usuario, esquemas, modelos 3D, empaquetamiento de PCB y tablas de longitud de E / S diferenciales, y documentos detallados. Y el diseño de referencia hace es fácil empezar. Debido a esto, se minimiza el riesgo de errores de calibración de clavijas.
El Entorno de compilación Enclustra (EBE) se puede utilizar para compilar la placa base Enclustra SoC integrada con el procesador ARM, que es muy suave. La placa base y la placa inferior se seleccionan a través de la interfaz gráfica; después de eso, EBE descarga el flujo de bits apropiado, el cargador de arranque de la primera etapa (FSBL) y el código fuente requerido; finalmente compila U-Boot, Linux y el archivo raíz basado en BusyBox sistema.
Con la herramienta de configuración de módulos gratuita de Enclustra (Module Configuration Tool, MCT), la placa base y el backplane se pueden configurar a través de USB sin ningún hardware adicional. A través del conector USB en la placa inferior, los usuarios pueden programar el flash SPI del núcleo FPGA de la placa base, leer la EEPROM de la placa base y configurar los periféricos. Cualquier problema encontrado por AMZ durante el desarrollo del inversor puede resolverse rápidamente con el apoyo de Enclustra.
La evolución de la próxima generación de carreras
El nuevo inversor del Mythen de carreras de próxima generación de AMZ se basa una vez más en la placa base Enclustra Mercury ZX5. A través de este nuevo tipo de inversor, la conexión de fibra óptica entre las dos placas base Mercury ZX5 se realiza en el coche de carreras. Para ello, se utilizan transceptores gigabit. La placa base Mars Mars ZX2 más pequeña también ha sido evaluada por AMZ, pero su número de E / S no satisface la demanda.
El concepto del sistema de accionamiento Mythen ha cambiado de 4 inversores (1 inversor que controla 1 motor / rueda) a 2 inversores (cada inversor controla 2 motores). Debido a este nuevo concepto, se pueden combinar muchos circuitos auxiliares, se reduce la complejidad y también se ahorra un espacio valioso. Además, abre la posibilidad de implementar algoritmos de control más avanzados que actúan sobre múltiples motores.
Acerca de Formula Student
La Competencia de Estudiantes de Formula University es la competencia de ingenieros más grande del mundo, que comenzó en 1981. El propósito de la competencia es presentar a los futuros ingenieros al desarrollo, producción, ensamblaje, pruebas y competencia de autos de carreras eléctricos o de aceite en el plazo de un año. El ganador no es necesariamente el equipo con el coche más rápido, sino el equipo con la mejor combinación en términos de estructura, rendimiento, planificación financiera y argumentos de ventas. En 2010, con el fin de capacitar a ingenieros jóvenes potenciales, prepararse para tecnologías futuras (como sistemas de propulsión eléctrica) y promover el proceso de innovación, el comité de competencia también abrió una unidad de competencia separada para vehículos eléctricos.
Sobre Enclustra
Enclustra es una de las empresas líderes en el mundo en el campo de FPGA. Se estableció en Suiza en 2004 y se convirtió en socio oficial de Xilinx. También es un proveedor de soluciones Intel FPGA Gold y un proveedor oficial de soluciones Lattice, que proporciona placas / desarrollo de núcleos FPGA placas, núcleos FPGA IP y pilas completas Servicios de diseño, que actualmente atienden a más de 1600 clientes en más de 70 países de todo el mundo. En 2019, ingresó oficialmente al mercado chino y estableció una subsidiaria de propiedad absoluta Ruisu Yingke (Shenzhen) Technology Co., Ltd. Al comienzo de su establecimiento, se estableció un equipo de ingenieros locales para brindar un mejor soporte y servicios localizados a los clientes chinos. .
