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Rui Su Yingke Zynq 7015, l'auto elettrica con formula guidata dalla scheda madre vince la competizione FS

Rilasciare : 19 nov 2021

Rui Su Yingke Zynq 7015, l'auto elettrica con formula guidata dalla scheda madre vince la competizione FS
ynq 7015 core board Formula racing
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Formula Student è la più grande competizione di ingegneri al mondo. Grazie a un innovativo sistema di azionamento elettrico basato su moduli FPGA, il team di studenti AMZ a Zurigo, in Svizzera, ha vinto con successo la competizione. L'auto da corsa del team AMZ è dotata di 4 inverter basati sulla scheda core Enclustra Mercury ZX5 (basata su Xilinx Zynq 7015 SoC), che creano il tempo sul giro più veloce.
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Ci sono 18 gare ogni anno nella Formula College Student Competition, con più di 600 squadre di studenti partecipanti. La squadra corse AMZ (Akademischer Motorsportverein Zürich) è composta da studenti del Politecnico federale di Zurigo e dell'Università svizzera di scienze applicate di Lucerna.Nella storia di questo evento da più di dieci anni, grazie al continuo miglioramento di concetti e l'introduzione di innovazioni, come l'uso di moduli della scheda madre FPGA Per controllare il motore di azionamento elettrico, ha creato un record mondiale per un'auto elettrica in grado di accelerare da 0 a 100 km/h in 1,513 secondi. Per garantire la competitività, i vari componenti della vettura da corsa devono essere coordinati e integrati in un sistema affidabile ad alte prestazioni.AMZ ha sviluppato la maggior parte dei componenti da sola per raggiungere questo obiettivo.

Strada aspirazionale

L'obiettivo di correre nell'Eiger (tutte le auto prendono il nome dalle montagne svizzere) è quello di ottenere più punti possibili in gara, che si ottiene raggiungendo il tempo sul giro più veloce. Attraverso la simulazione della velocità sul giro, il calcolo dell'energia e l'analisi dei dati di registro delle ultime stagioni, AMZ ha deciso di adottare un sistema di trazione integrale puramente personalizzato, una struttura a stoccaggio singolo in polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP), fluidodinamica computazionale (CFD) e verificato dal vento Il montaggio aeronautico e le sospensioni idrauliche.

Inverter basato su scheda core FPGA

Nella storia di AMZ, questa è la prima volta che il team sviluppa da solo tutti i componenti del sistema di alimentazione. Infine, è stato sviluppato l'inverter, basato sulla scheda core FPGA di Enclustra. L'inverter converte la corrente continua della batteria al litio in corrente alternata trifase per far funzionare il motore sincrono a magneti permanenti.

Quattro inverter auto-sviluppati controllano ciascuno un motore; un modulatore DTC (Direct Torque Control) auto-sviluppato funziona sulla scheda core Enclustra Mercury ZX5 (basata su Xilinx Zynq 7015 system-on-chip). VHDL consente di stimare la corrente del motore corrente e calcolare la nuova posizione dell'interruttore ogni 10 nanosecondi: questo è impossibile con un microcontrollore o un sistema basato su DSP.
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Il modulo MOSFET SiC da 1200 volt personalizzato ha una resistenza all'accensione di soli 10 milliohm, utilizza un gate driver intelligente sviluppato autonomamente e utilizza alette di raffreddamento stampate in 3D per il raffreddamento ad acqua, che riduce la conduzione e le perdite di commutazione, migliora la velocità di commutazione e riduce l'aumento tempo A 39 nanosecondi. Due ulteriori condensatori di connessione CC da 47 nanofarad sulla scheda centrale possono ridurre l'induttanza del circuito di alimentazione. Un circuito CC ibrido con 6 condensatori ceramici Ceralink microfarad e 240 condensatori a film microfarad viene utilizzato per ridurre il peso e ridurre l'ondulazione della tensione del collegamento CC. I due PCB sono progettati con ingressi in rame da 1 mm per il collegamento del sistema di trazione per ridurre l'area del circuito stampato. Per controllare il motore, la misurazione della corrente trifase, della tensione e della corrente di collegamento CC e della tensione concatenata è fino a 1 milione di campioni al secondo. Un resolver viene utilizzato per determinare la posizione attuale del motore. Le connessioni Gigabit Ethernet e CAN garantiscono una comunicazione veloce e sicura tra l'auto e il banco prova. Per il massimo grado di personalizzazione, l'intero software dell'inverter è sviluppato internamente.

Scheda core Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury Mercury ZX5 SoC

L'unità di elaborazione ha scelto System-on-Chip (SoC). Nella maggior parte dei casi, il SoC nudo è confezionato in BGA, che è difficile da saldare e richiede più strati di PCB per condurre il segnale al chip. Il SoC necessita anche di molte periferiche, come memoria, clock, interfaccia e alimentazione complessa. La scheda core Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury ZX5 SoC fornisce tutte le funzioni di cui sopra su un PCB di piccole dimensioni. La scheda madre contiene 1GB DDR3L SDRAM, 512MB Nand Flash, un Ethernet PHY e un alimentatore per tutte le tensioni. La scheda madre può anche fornire alimentazione ai circuiti sul backplane, riducendo al minimo la necessità di convertitori di potenza.
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Abbondante potenza di calcolo

A causa della necessità di una latenza molto bassa e di un'elevata frequenza di aggiornamento, il modulatore e tutte le comunicazioni con le periferiche sono implementate su FPGA. Tutte le principali funzioni di sicurezza sono implementate su FPGA.Il tempo di ritardo della protezione da sovracorrente è al massimo di 1 microsecondo e il tempo di ritardo della protezione da sovratensione è al massimo di 2 microsecondi. Sull'FPGA e sul processore è implementato un sistema di sicurezza ridondante multistrato.Il processore e l'FPGA si controllano a vicenda e spengono l'inverter quando si verificano incongruenze.

Alcuni controlli avanzati, come il controllo della velocità e il controllo della trazione, sono implementati su un core del processore ARM Cortex-A9; l'altro core è responsabile della comunicazione con l'unità di controllo del veicolo (VCU) o il computer di controllo ed è responsabile della registrazione dei dati .

Interfaccia ad alta larghezza di banda

Il firmware compilato e il bitstream vengono copiati sulla scheda SD e inseriti nel backplane dell'inverter. All'avvio, il bootloader copia il firmware in memoria e carica il bitstream nella struttura FPGA.

L'FPGA elabora tutte le misurazioni di corrente a una velocità di campionamento di 1 milione al secondo (1 MSps) ed elabora le misurazioni di tensione a una velocità di 500.000 al secondo (500 kSps). Questi componenti sono accessibili tramite un protocollo basato su SPI. La posizione del motore è misurata da un resolver con interfaccia parallela a 33 kSps. Oltre ad essere utilizzati direttamente dal modulatore, i dati vengono trasmessi al processore tramite l'interconnessione AXI PL-PS integrata. Utilizzando questa tecnologia, il processore può semplicemente modificare i dati di configurazione e leggere il valore dell'FPGA tramite le istruzioni di accesso alla memoria.

Inoltre, puoi anche accedere direttamente alla RAM DDR3 della scheda core Mercury ZX5 dalla struttura FPGA. In questo modo, una grande quantità di dati di registro può essere trasferita alla RAM senza utilizzare un processore. Quindi, i dati vengono memorizzati sulla scheda SD per l'analisi offline prima che l'inverter venga spento.

La temperatura del semiconduttore e del filtro di uscita viene misurata con l'XADC integrato del SoC e utilizzata direttamente sul processore. In macchina, l'inverter è collegato direttamente al sistema di elaborazione tramite l'interfaccia CAN e la VCU. Per far funzionare l'inverter sul banco prova e collegarlo al computer, viene utilizzata un'interfaccia Ethernet.

Alimentazione semplificata

La scheda core Mercury ZX5 è alimentata da un singolo alimentatore da 5~15 V. Il convertitore CC/CC integrato fornisce tutte le tensioni interne e anche la tensione convertita sulla scheda è indirizzata al connettore. Questi 3,3 V e 1,8 V vengono utilizzati per alimentare i circuiti analogici e digitali sul backplane dell'inverter. Poiché è stato fornito l'alimentatore sopra menzionato, il lavoro richiesto per l'alimentatore è ridotto al minimo quando l'utente sviluppa la scheda madre basata su Enclustra.
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Ampio supporto alla progettazione

Al fine di semplificare l'integrazione dei suoi moduli, Enclustra fornisce tutto l'hardware, il software e i materiali di supporto necessari, oltre a manuali utente, schemi, modelli 3D, imballaggi PCB e tabelle di lunghezza I/O differenziali e documenti dettagliati. è facile iniziare. Per questo motivo, il rischio di errori di calibrazione dei pin è ridotto al minimo.

L'Enclustra Build Environment (EBE) può essere utilizzato per compilare la scheda core Enclustra SoC integrata con il processore ARM, il che è molto fluido. La scheda core e la scheda inferiore vengono selezionate tramite l'interfaccia grafica; dopodiché, EBE scarica il bitstream appropriato, il boot loader di primo stadio (FSBL) e il codice sorgente richiesto; infine compila U-Boot, Linux e il file root basato su BusyBox sistema.

Con lo strumento di configurazione del modulo gratuito di Enclustra (Module Configuration Tool, MCT), la scheda madre e il backplane possono essere configurati tramite USB senza hardware aggiuntivo. Attraverso il connettore USB sulla scheda inferiore, gli utenti possono programmare il core SPI Flash FPGA della scheda madre, leggere l'EEPROM della scheda madre e configurare le periferiche. Eventuali problemi riscontrati da AMZ durante lo sviluppo dell'inverter possono essere risolti rapidamente con il supporto di Enclustra.

L'evoluzione della prossima generazione di corse

Il nuovo inverter del Mythen racing di nuova generazione di AMZ si basa ancora una volta sulla scheda core Enclustra Mercury ZX5. Attraverso questo nuovo tipo di inverter, nella vettura da corsa viene realizzato il collegamento in fibra ottica tra le due schede core Mercury ZX5. Per questo, vengono utilizzati ricetrasmettitori gigabit. Anche la scheda core Mars Mars ZX2 più piccola è stata valutata da AMZ, ma il suo numero di I/O non soddisfa la domanda.

Il concetto del sistema di azionamento Mythen è cambiato da 4 inverter (1 inverter che controlla 1 motore/ruota) a 2 inverter (ogni inverter che controlla 2 motori). Grazie a questo nuovo concetto, è possibile combinare molti circuiti ausiliari, ridurre la complessità e risparmiare spazio prezioso. Inoltre, apre la possibilità di implementare algoritmi di controllo più avanzati che agiscono su più motori.

Informazioni su Formula Student

La Formula University Student Competition è la più grande competizione di ingegneri al mondo, iniziata nel 1981. Lo scopo del concorso è quello di introdurre i futuri ingegneri allo sviluppo, alla produzione, all'assemblaggio, al collaudo e alla competizione di auto da corsa elettriche o alimentate a olio entro un anno. Il vincitore non è necessariamente il team con l'auto più veloce, ma il team con la migliore combinazione in termini di struttura, prestazioni, pianificazione finanziaria e argomenti di vendita. Nel 2010, al fine di formare potenziali giovani ingegneri, prepararsi per le tecnologie future (come i sistemi di azionamento elettrico) e promuovere il processo di innovazione, il comitato di gara ha anche aperto un'unità di competizione separata per i veicoli elettrici.

Informazioni su Enclustra

Enclustra è una delle aziende leader a livello mondiale nel settore FPGA. È stata fondata in Svizzera nel 2004 ed è diventata partner ufficiale di Xilinx. È anche un fornitore di soluzioni Intel FPGA gold e fornitore ufficiale di soluzioni Lattice, che fornisce schede/sviluppo core FPGA schede, core IP FPGA e stack completi.Servizi di progettazione, che attualmente servono più di 1600 clienti in più di 70 paesi in tutto il mondo. Nel 2019, è entrata ufficialmente nel mercato cinese e ha fondato una consociata interamente controllata Ruisu Yingke (Shenzhen) Technology Co., Ltd. All'inizio della sua fondazione, è stato istituito un team di ingegneri locali per offrire supporto e servizi localizzati migliori ai clienti cinesi .