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Rui Su Yingke Zynq 7015 코어 보드 구동 공식 전기 자동차, FS 경쟁에서 우승

출시일 : 2021. 11. 19.

Rui Su Yingke Zynq 7015 코어 보드 구동 공식 전기 자동차, FS 경쟁에서 우승
ynq 7015 코어 보드 포뮬러 레이싱
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Formula Student는 세계 최대의 엔지니어 대회입니다. FPGA 모듈을 기반으로 하는 혁신적인 전기 구동 시스템 덕분에 스위스 취리히에 있는 AMZ 학생 팀이 대회에서 성공적으로 우승했습니다. AMZ 팀의 레이싱카에는 Enclustra Mercury ZX5 코어 보드(Xilinx Zynq 7015 SoC 기반)를 기반으로 하는 4개의 인버터가 장착되어 있어 가장 빠른 랩 타임을 생성합니다.
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Formula College Student Competition에는 매년 18개의 레이스가 있으며 600개 이상의 학생 팀이 참가합니다. AMZ(Akademischer Motorsportverein Zürich) 레이싱 팀은 스위스 연방 공과 대학과 스위스 루체른 응용 과학 대학의 학생들로 구성되어 있습니다. FPGA 코어 보드 모듈 사용과 같은 혁신 도입 전기 구동 모터를 제어하기 위해 1.513초 만에 0에서 100km/h까지 가속하는 전기 자동차의 세계 기록을 만들었습니다. 경쟁력을 확보하기 위해서는 레이싱카의 다양한 구성요소들이 조화를 이루어 안정적인 고성능 시스템으로 통합되어야 하며, 이를 위해 AMZ는 대부분의 구성요소를 독자적으로 개발해왔습니다.

열망의 길

Eiger 경주의 목표(모든 자동차는 스위스 산의 이름을 따서 명명됨)는 경주에서 가장 빠른 랩 타임에 도달하여 가능한 한 많은 점수를 얻는 것입니다. 지난 몇 시즌의 랩 속도 시뮬레이션, 에너지 계산 및 로그 데이터 분석을 통해 AMZ는 순수 맞춤형 4륜 구동 시스템, 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 단일 저장 구조, 전산 유체 역학(CFD) 및 바람에 의해 검증된 항공 어셈블리 및 유압 서스펜션.

FPGA 코어 보드 기반 인버터

AMZ 역사상 팀이 전력 시스템의 모든 구성 요소를 자체 개발한 것은 이번이 처음이다. 마지막으로 Enclustra의 FPGA 코어 보드를 기반으로 인버터를 개발했습니다. 인버터는 리튬 배터리의 직류를 3상 교류로 변환하여 영구 자석 동기 모터를 구동합니다.

4개의 자체 개발 인버터가 각각 1개의 모터를 제어하며, 1개의 자체 개발 DTC(직접 토크 제어) 변조기는 Enclustra Mercury ZX5 코어 보드(Xilinx Zynq 7015 시스템 온칩 기반)에서 실행됩니다. VHDL을 사용하면 현재 모터 전류를 추정하고 10나노초마다 새로운 스위치 위치를 계산할 수 있습니다. 이는 마이크로컨트롤러나 DSP 기반 시스템에서는 불가능합니다.
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맞춤형 1200볼트 SiC MOSFET 모듈은 온 저항이 10밀리옴에 불과하며 자체 개발한 스마트 게이트 드라이버를 사용하고 수냉용 3D 인쇄 냉각 핀을 사용하여 전도 및 스위칭 손실을 줄이고 스위칭 속도를 개선하며 상승을 줄입니다. 시간 39나노초까지. 코어 보드에 있는 2개의 추가 47나노패럿 DC 연결 커패시터는 전력 루프 인덕턴스를 줄일 수 있습니다. 6마이크로패럿 Ceralink 세라믹 커패시터와 240마이크로패럿 필름 커패시터가 있는 하이브리드 DC 회로는 무게를 줄이고 DC 링크 전압 리플을 줄이는 데 사용됩니다. 2개의 PCB는 회로 기판의 면적을 줄이기 위해 트랙션 시스템의 연결을 위한 1mm 구리 인렛으로 설계되었습니다. 모터를 제어하기 위해 3상 전류, DC 연결 전압 및 전류, 상간 전압의 측정은 초당 최대 100만 샘플입니다. 리졸버는 모터의 현재 위치를 결정하는 데 사용됩니다. 기가비트 이더넷 및 CAN 연결은 차량과 테스트 벤치 간의 빠르고 안전한 통신을 보장합니다. 최고 수준의 맞춤화를 위해 전체 인버터 소프트웨어가 사내에서 개발됩니다.

Enclustra(Ruisu Yingke) Mercury Mercury ZX5 SoC 코어 보드

처리 장치는 SoC(System-on-Chip)를 선택했습니다. 대부분의 경우 베어 SoC는 BGA로 패키징되어 납땜이 어렵고 신호를 칩으로 전달하기 위해 여러 겹의 PCB가 필요합니다. SoC는 또한 메모리, 클럭, 인터페이스 및 복잡한 전원 공급 장치와 같은 많은 주변 장치를 필요로 합니다. Enclustra(Ruisu Yingke) Mercury ZX5 SoC 코어 보드는 소형 PCB에서 위의 모든 기능을 제공합니다. 코어 보드에는 1GB DDR3L SDRAM, 512MB 낸드 플래시, 이더넷 PHY 및 모든 전압용 전원 공급 장치가 포함되어 있습니다. 코어 보드는 백플레인의 회로에 전력을 공급할 수도 있어 전력 변환기의 필요성을 최소화합니다.
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풍부한 컴퓨팅 파워

매우 낮은 대기 시간과 높은 재생 빈도가 필요하기 때문에 변조기와 주변 장치와의 모든 통신은 FPGA에서 구현됩니다. 모든 주요 안전 기능은 FPGA에서 구현되며 과전류 보호 지연 시간은 최대 1마이크로초, 과전압 보호 지연 시간은 최대 2마이크로초입니다. FPGA와 프로세서에 다층 이중화 안전 시스템이 구현되어 있으며, 프로세서와 FPGA는 서로를 모니터링하고 불일치가 발생하면 인버터를 종료합니다.

속도 제어 및 트랙션 제어와 같은 일부 고급 제어는 ARM Cortex-A9 프로세서의 한 코어에서 구현되고 다른 코어는 차량 제어 장치(VCU) 또는 제어 컴퓨터와의 통신을 담당하며 데이터 기록을 담당합니다. .

고대역폭 인터페이스

컴파일된 펌웨어 및 비트스트림은 SD 카드에 복사되고 인버터 백플레인에 삽입됩니다. 시작 시 부트로더는 펌웨어를 메모리에 복사하고 비트스트림을 FPGA 구조로 로드합니다.

FPGA는 초당 100만(1MSps)의 샘플링 속도로 모든 전류 측정을 처리하고 초당 500,000(500 kSps)의 속도로 전압 측정을 처리합니다. 이러한 구성 요소는 SPI 기반 프로토콜을 통해 액세스됩니다. 모터 위치는 33kSps 병렬 인터페이스가 있는 리졸버로 측정됩니다. 변조기에서 직접 사용하는 것 외에도 데이터는 통합 AXI PL-PS 상호 연결을 통해 프로세서로 전송됩니다. 이 기술을 사용하여 프로세서는 구성 데이터를 변경하고 메모리 액세스 명령을 통해 FPGA 값을 읽을 수 있습니다.

또한 FPGA 구조에서 Mercury ZX5 코어 보드의 DDR3 RAM에 직접 액세스할 수도 있습니다. 이러한 방식으로 프로세서를 사용하지 않고도 많은 양의 로그 데이터를 RAM으로 전송할 수 있습니다. 그런 다음 인버터가 종료되기 전에 오프라인 분석을 위해 데이터가 SD 카드에 저장됩니다.

반도체 및 출력 필터의 온도는 SoC에 내장된 XADC로 측정되며 프로세서에서 직접 사용됩니다. 자동차에서 인버터는 CAN 인터페이스와 VCU를 통해 처리 시스템에 직접 연결됩니다. 테스트 벤치에서 인버터를 실행하고 컴퓨터에 연결하기 위해 이더넷 인터페이스가 사용됩니다.

단순화된 전원 공급 장치

Mercury ZX5 코어 보드는 단일 5~15V 전원 공급 장치로 전원이 공급되며 온보드 DC/DC 컨버터는 모든 내부 전압을 제공하며 보드에서 변환된 전압도 커넥터로 연결됩니다. 이 3.3V 및 1.8V는 인버터 백플레인의 아날로그 및 디지털 회로에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 위와 같은 전원이 제공되기 때문에 사용자가 Enclustra 기반의 코어보드를 개발할 때 전원에 필요한 작업이 최소화됩니다.
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광범위한 디자인 지원

모듈 통합을 단순화하기 위해 Enclustra는 사용자 매뉴얼, 회로도, 3D 모델, PCB 패키징 및 차동 I/O 길이 테이블, 세부 문서 외에도 필요한 모든 하드웨어, 소프트웨어 및 지원 자료를 제공합니다. 시작하기 쉽습니다. 이 때문에 핀 교정 오류의 위험이 최소화됩니다.

EBE(Enclustra Build Environment)를 사용하여 ARM 프로세서와 통합된 Enclustra SoC 코어 보드를 컴파일할 수 있으며 이는 매우 매끄럽습니다. 코어 보드와 바텀 보드는 그래픽 인터페이스를 통해 선택되며, 이후 EBE는 적절한 비트스트림, FSBL(First Stage Boot Loader) 및 필요한 소스 코드를 다운로드하고 최종적으로 BusyBox를 기반으로 U-Boot, Linux 및 루트 파일을 컴파일합니다. 체계.

Enclustra의 무료 모듈 구성 도구(Module Configuration Tool, MCT)를 사용하면 추가 하드웨어 없이 USB를 통해 코어 보드와 백플레인을 구성할 수 있습니다. 하단 보드의 USB 커넥터를 통해 사용자는 코어 보드의 FPGA 코어 SPI 플래시를 프로그래밍하고 코어 보드의 EEPROM을 읽고 주변 장치를 구성할 수 있습니다. 인버터 개발 중 AMZ에서 발생하는 모든 문제는 Enclustra의 지원으로 신속하게 해결할 수 있습니다.

차세대 레이싱의 진화

AMZ의 차세대 레이싱 Mythen의 새로운 인버터는 다시 한번 Enclustra Mercury ZX5 코어 보드를 기반으로 합니다. 이 새로운 유형의 인버터를 통해 두 개의 Mercury ZX5 코어 보드 간의 광섬유 연결이 레이싱 카에서 실현됩니다. 이를 위해 기가비트 트랜시버가 사용됩니다. 더 작은 Mars Mars ZX2 코어 보드도 AMZ에 의해 평가되었지만 I/O 번호가 수요를 충족하지 못합니다.

Mythen 구동 시스템의 개념은 4개의 인버터(1개의 모터/휠을 제어하는 ​​1개의 인버터)에서 2개의 인버터(각 인버터가 2개의 모터를 제어함)로 변경되었습니다. 이 새로운 개념으로 인해 많은 보조 회로를 결합할 수 있고 복잡성이 감소하며 귀중한 공간도 절약됩니다. 또한 여러 모터에서 작동하는 고급 제어 알고리즘을 구현할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

포뮬러 스튜던트 소개

Formula University Student Competition은 1981년에 시작된 세계 최대의 엔지니어 대회입니다. 대회의 목적은 미래의 엔지니어들을 1년 이내에 전기 또는 석유로 구동되는 경주용 자동차의 개발, 생산, 조립, 테스트 및 경쟁에 소개하는 것입니다. 승자는 반드시 가장 빠른 차를 가진 팀이 아니라 구조, 성능, 재무 계획 및 판매 인수 측면에서 최고의 조합을 가진 팀입니다. 2010년에는 젊은 엔지니어 양성, 전기구동 등 미래기술 대비, 혁신과정 추진을 위해 경쟁위원회에서도 전기자동차 경진대회를 별도로 신설했다.

엔클루스트라 소개

Enclustra는 FPGA 분야의 세계적인 선도 기업 중 하나로 2004년 스위스에 설립되어 Xilinx의 공식 파트너가 되었습니다.또한 Intel FPGA Gold 솔루션 공급업체이자 공식 Lattice 솔루션 공급업체로서 FPGA 코어 보드/개발을 제공하고 있습니다. 보드, FPGA IP 코어 및 풀 스택 설계 서비스는 현재 전 세계 70개 이상의 국가에서 1600개 이상의 고객에게 서비스를 제공하고 있습니다. 2019년에 공식적으로 중국 시장에 진출하고 전액 출자 자회사 Ruisu Yingke (Shenzhen) Technology Co., Ltd.를 설립했습니다. 설립 초기에 현지 엔지니어 팀이 설립되어 중국 고객에게 더 나은 현지화된 지원과 서비스를 제공했습니다. .