La voiture électrique à formule entraînée par carte mère Rui Su Yingke Zynq 7015 remporte le concours FS
ynq 7015 core board Formula racing
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Formula Student est la plus grande compétition d'ingénieurs au monde. Grâce à un système d'entraînement électrique innovant basé sur des modules FPGA, l'équipe d'étudiants AMZ à Zurich, en Suisse, a remporté le concours avec succès. La voiture de course de l'équipe AMZ est équipée de 4 onduleurs basés sur la carte mère Enclustra Mercury ZX5 (basée sur le SoC Xilinx Zynq 7015), créant le meilleur temps au tour.
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Il y a 18 courses chaque année dans la Formula College Student Competition, avec plus de 600 équipes d'étudiants participantes. L'équipe de course AMZ (Akademischer Motorsportverein Zürich) est composée d'étudiants de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich et de la Haute école spécialisée suisse de Lucerne.Dans l'histoire de cet événement depuis plus de dix ans, en raison de l'amélioration continue des concepts et l'introduction d'innovations, telles que l'utilisation de modules de carte de base FPGA Pour contrôler le moteur d'entraînement électrique, il a créé un record du monde pour une voiture électrique pour accélérer de 0 à 100 km/h en 1,513 secondes. Afin d'assurer la compétitivité, les différents composants de la voiture de course doivent être coordonnés et intégrés dans un système fiable et performant. AMZ a développé lui-même la plupart des composants pour y parvenir.
Route ambitieuse
L'objectif de la course Eiger (toutes les voitures portent le nom des montagnes suisses) est d'obtenir autant de points que possible dans la course, ce qui est obtenu en réalisant le meilleur temps au tour. Grâce à la simulation de la vitesse au tour, au calcul de l'énergie et à l'analyse des données de journal des dernières saisons, AMZ a décidé d'adopter un système à quatre roues motrices purement personnalisé, une structure de stockage unique en polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP), une dynamique des fluides numérique (CFD) et vérifié par le vent L'ensemble aviation et suspension hydraulique.
Onduleur basé sur la carte principale FPGA
Dans l'histoire d'AMZ, c'est la première fois que l'équipe développe elle-même tous les composants du système d'alimentation. Enfin, l'onduleur a été développé, basé sur la carte principale FPGA d'Enclustra. L'onduleur convertit le courant continu de la batterie au lithium en courant alternatif triphasé pour faire fonctionner le moteur synchrone à aimant permanent.
Quatre onduleurs développés par nos soins contrôlent chacun un moteur ; un modulateur de contrôle de couple direct (DTC) développé par nos soins fonctionne sur la carte mère Enclustra Mercury ZX5 (basée sur le système sur puce Xilinx Zynq 7015). Le VHDL permet d'estimer le courant actuel du moteur et de calculer la nouvelle position du commutateur toutes les 10 nanosecondes, ce qui est impossible avec un microcontrôleur ou un système basé sur DSP.
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Le module MOSFET SiC 1200 volts personnalisé a une résistance de seulement 10 milliohms. Il utilise un pilote de porte intelligent auto-développé et utilise des ailettes de refroidissement imprimées en 3D pour le refroidissement par eau, ce qui réduit les pertes de conduction et de commutation, améliore la vitesse de commutation et réduit la montée temps À 39 nanosecondes. Deux condensateurs de connexion CC supplémentaires de 47 nanofarads sur la carte mère peuvent réduire l'inductance de la boucle d'alimentation. Un circuit CC hybride avec 6 condensateurs céramiques Ceralink microfarad et 240 condensateurs film microfarad est utilisé pour réduire le poids et réduire l'ondulation de la tension du circuit CC. Les deux PCB sont conçus avec des entrées en cuivre de 1 mm pour la connexion du système de traction afin de réduire la surface du circuit imprimé. Afin de contrôler le moteur, la mesure du courant triphasé, de la tension et du courant de connexion CC et de la tension entre phases peut atteindre 1 million d'échantillons par seconde. Un résolveur est utilisé pour déterminer la position actuelle du moteur. Les connexions Gigabit Ethernet et CAN assurent une communication rapide et sûre entre la voiture et le banc d'essai. Pour le plus haut degré de personnalisation, l'ensemble du logiciel de l'onduleur est développé en interne.
Carte mère SoC Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury Mercury ZX5
L'unité de traitement a choisi System-on-Chip (SoC). Dans la plupart des cas, le SoC nu est conditionné en BGA, ce qui est difficile à souder et nécessite plusieurs couches de PCB pour conduire le signal vers la puce. Le SoC a également besoin de nombreux périphériques, tels que la mémoire, l'horloge, l'interface et une alimentation électrique complexe. La carte mère SoC Mercury ZX5 d'Enclustra (Ruisu Yingke) fournit toutes les fonctions ci-dessus sur un PCB de petite taille. La carte principale contient 1 Go de SDRAM DDR3L, 512 Mo de flash Nand, un PHY Ethernet et une alimentation pour toutes les tensions. La carte principale peut même alimenter les circuits du fond de panier, minimisant ainsi le besoin de convertisseurs de puissance.
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Une puissance de calcul abondante
En raison de la nécessité d'une très faible latence et d'un taux de rafraîchissement élevé, le modulateur et toutes les communications avec les périphériques sont implémentés sur FPGA. Toutes les fonctions de sécurité clés sont implémentées sur FPGA.Le temps de retard de la protection contre les surintensités est d'au plus 1 microseconde et le temps de retard de la protection contre les surtensions est d'au plus 2 microsecondes. Un système de sécurité redondant multicouche est implémenté sur le FPGA et le processeur.Le processeur et le FPGA se surveillent mutuellement et arrêtent l'onduleur en cas d'incohérence.
Certains contrôles avancés, tels que le contrôle de vitesse et le contrôle de traction, sont implémentés sur un cœur du processeur ARM Cortex-A9 ; l'autre cœur est responsable de la communication avec l'unité de contrôle du véhicule (VCU) ou l'ordinateur de contrôle, et est responsable de l'enregistrement des données .
Interface à bande passante élevée
Le firmware et le bitstream compilés sont copiés sur la carte SD et insérés dans le fond de panier de l'onduleur. Au démarrage, le bootloader copie le firmware en mémoire et charge le flux binaire dans la structure FPGA.
Le FPGA traite toutes les mesures de courant à un taux d'échantillonnage de 1 million par seconde (1 MSps) et traite les mesures de tension à un taux de 500 000 par seconde (500 kSps). Ces composants sont accessibles via un protocole basé sur SPI. La position du moteur est mesurée par un résolveur avec une interface parallèle de 33 kSps. En plus d'être utilisées directement par le modulateur, les données sont transmises au processeur via l'interconnexion AXI PL-PS intégrée. Grâce à cette technologie, le processeur peut simplement modifier les données de configuration et lire la valeur du FPGA via des instructions d'accès mémoire.
De plus, vous pouvez également accéder directement à la RAM DDR3 de la carte mère Mercury ZX5 à partir de la structure FPGA. De cette façon, une grande quantité de données de journal peut être transférée vers la RAM sans utiliser de processeur. Ensuite, les données sont stockées sur la carte SD pour une analyse hors ligne avant l'arrêt de l'onduleur.
La température du semi-conducteur et du filtre de sortie est mesurée avec le XADC intégré du SoC et utilisée directement sur le processeur. Dans la voiture, l'onduleur est directement connecté au système de traitement via l'interface CAN et le VCU. Afin de faire fonctionner l'onduleur sur le banc d'essai et de le connecter à l'ordinateur, une interface Ethernet est utilisée.
Alimentation simplifiée
La carte mère Mercury ZX5 est alimentée par une seule alimentation 5 ~ 15 V. Le convertisseur CC/CC intégré fournit toutes les tensions internes, et la tension convertie sur la carte est également dirigée vers le connecteur. Ces 3,3 V et 1,8 V sont utilisés pour alimenter les circuits analogiques et numériques sur le fond de panier de l'onduleur. Étant donné que l'alimentation électrique mentionnée ci-dessus a été fournie, le travail requis pour l'alimentation électrique est minimisé lorsque l'utilisateur développe la carte principale basée sur Enclustra.
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Prise en charge étendue de la conception
Afin de simplifier l'intégration de ses modules, Enclustra fournit tout le matériel, les logiciels et le matériel de support nécessaires, en plus des manuels d'utilisation, des schémas, des modèles 3D, des emballages de circuits imprimés et des tableaux de longueur d'E/S différentielles, et des documents détaillés. il est facile de commencer. De ce fait, le risque d'erreurs d'étalonnage des broches est minimisé.
L'Enclustra Build Environment (EBE) peut être utilisé pour compiler la carte mère Enclustra SoC intégrée au processeur ARM, ce qui est très fluide. La carte principale et la carte inférieure sont sélectionnées via l'interface graphique ; après cela, EBE télécharge le flux binaire approprié, le chargeur de démarrage de première étape (FSBL) et le code source requis ; enfin compile U-Boot, Linux et le fichier racine basé sur BusyBox système.
Avec l'outil de configuration de module gratuit d'Enclustra (Module Configuration Tool, MCT), la carte principale et le fond de panier peuvent être configurés via USB sans aucun matériel supplémentaire. Grâce au connecteur USB sur la carte inférieure, les utilisateurs peuvent programmer le flash SPI du noyau FPGA de la carte principale, lire l'EEPROM de la carte principale et configurer les périphériques. Tout problème rencontré par AMZ lors du développement de l'onduleur peut être rapidement résolu avec le soutien d'Enclustra.
L'évolution de la prochaine génération de courses
Le nouvel onduleur du Mythen de course de nouvelle génération d'AMZ est à nouveau basé sur la carte mère Enclustra Mercury ZX5. Grâce à ce nouveau type d'onduleur, la connexion par fibre optique entre les deux cartes centrales Mercury ZX5 est réalisée dans la voiture de course. Pour cela, des émetteurs-récepteurs gigabit sont utilisés. La carte principale Mars Mars ZX2 plus petite a également été évaluée par AMZ, mais son nombre d'E/S ne répond pas à la demande.
Le concept du système d'entraînement Mythen est passé de 4 onduleurs (1 onduleur contrôlant 1 moteur/roue) à 2 onduleurs (chaque onduleur contrôlant 2 moteurs). Grâce à ce nouveau concept, de nombreux circuits auxiliaires peuvent être combinés, la complexité est réduite et un espace précieux est également économisé. De plus, cela ouvre la possibilité de mettre en œuvre des algorithmes de contrôle plus avancés qui agissent sur plusieurs moteurs.
À propos de Formula Student
Le Formula University Student Competition est le plus grand concours d'ingénieurs au monde, qui a débuté en 1981. Le but du concours est d'initier les futurs ingénieurs au développement, à la production, à l'assemblage, aux essais et à la compétition de voitures de course électriques ou à huile dans un délai d'un an. Le vainqueur n'est pas nécessairement l'équipe avec la voiture la plus rapide, mais l'équipe avec la meilleure combinaison en termes de structure, de performance, de planification financière et d'arguments commerciaux. En 2010, afin de former de jeunes ingénieurs potentiels, de préparer les futures technologies (telles que les systèmes d'entraînement électriques) et de promouvoir le processus d'innovation, le comité du concours a également ouvert une unité de concurrence distincte pour les véhicules électriques.
À propos d'Enclustra
Enclustra est l'une des sociétés leaders mondiales dans le domaine des FPGA. Elle a été créée en Suisse en 2004 et est devenue un partenaire officiel de Xilinx. C'est également un fournisseur de solutions Intel FPGA Gold et un fournisseur officiel de solutions Lattice, fournissant des cartes de base FPGA/développement cartes, cœurs IP FPGA et piles complètes. Services de conception, servant actuellement plus de 1600 clients dans plus de 70 pays à travers le monde. En 2019, il est officiellement entré sur le marché chinois et a créé une filiale en propriété exclusive Ruisu Yingke (Shenzhen) Technology Co., Ltd. Au début de sa création, une équipe d'ingénieurs locaux a été mise en place pour apporter un meilleur support et des services localisés aux clients chinois. .
