Электромобиль формулы Rui Su Yingke Zynq 7015 с приводом от основной платы выиграл соревнование FS
Базовая плата ynq 7015 Formula Racing
1

Formula Student - крупнейшее в мире соревнование инженеров. Благодаря инновационной системе электропривода, основанной на модулях FPGA, студенческая команда AMZ в Цюрихе, Швейцария, успешно выиграла соревнование. Гоночный автомобиль команды AMZ оснащен 4 инверторами на базе базовой платы Enclustra Mercury ZX5 (на базе Xilinx Zynq 7015 SoC), что обеспечивает самое быстрое время круга.
К
2

Ежегодно в Студенческих соревнованиях Formula College проводится 18 гонок, в которых участвуют более 600 студенческих команд. Гоночная команда AMZ (Akademischer Motorsportverein Zürich) состоит из студентов Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе и Швейцарского университета прикладных наук в Люцерне. В истории этого события более десяти лет, благодаря постоянному совершенствованию концепций и внедрение инноваций, таких как использование модулей основной платы FPGA. Для управления электродвигателем электропривода был установлен мировой рекорд для электромобиля по разгону от 0 до 100 км / ч за 1,513 секунды. Для обеспечения конкурентоспособности различные компоненты гоночного автомобиля должны быть скоординированы и интегрированы в надежную высокопроизводительную систему. Для этого AMZ разработала большинство компонентов самостоятельно.

Желанная дорога

Цель гонки Eiger (все машины названы в честь швейцарских гор) - набрать как можно больше очков в гонке, что достигается за счет достижения самого быстрого времени круга. Посредством моделирования скорости круга, расчета энергии и анализа каротажных данных за последние несколько сезонов AMZ решила использовать полностью индивидуальную систему полного привода, структуру с одним хранилищем из армированного углеродным волокном полимера (CFRP), вычислительную гидродинамику (CFD) и проверено ветром Авиационная сборка и гидравлическая подвеска.

Инвертор на базе основной платы FPGA

В истории АМЗ это первый случай, когда коллектив разработал все компоненты энергосистемы самостоятельно. Наконец, инвертор был разработан на основе базовой платы Enclustra FPGA. Инвертор преобразует постоянный ток литиевой батареи в трехфазный переменный ток для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами.

Каждый из четырех инверторов собственной разработки управляет одним двигателем; один модулятор прямого управления крутящим моментом (DTC) собственной разработки работает на базовой плате Enclustra Mercury ZX5 (на основе системы на кристалле Xilinx Zynq 7015). VHDL позволяет оценивать текущий ток двигателя и рассчитывать новое положение переключателя каждые 10 наносекунд - это невозможно с микроконтроллером или системой на основе DSP.
К
3

Настроенный модуль SiC MOSFET на 1200 вольт имеет сопротивление в открытом состоянии всего 10 миллиом. Он использует саморазработанный драйвер интеллектуального затвора и использует напечатанные на 3D-принтере охлаждающие ребра для водяного охлаждения, что снижает потери проводимости и переключения, улучшает скорость переключения и снижает подъем время До 39 наносекунд. Два дополнительных соединительных конденсатора постоянного тока 47 нанофарад на основной плате могут уменьшить индуктивность силового контура. Гибридная цепь постоянного тока с керамическими конденсаторами Ceralink на 6 мкФ и пленочными конденсаторами на 240 мкФ используется для уменьшения веса и уменьшения пульсаций напряжения промежуточного контура. Две печатные платы имеют медные вводы диаметром 1 мм для подключения системы тяги, чтобы уменьшить площадь печатной платы. Для управления двигателем измерение трехфазного тока, напряжения и тока подключения постоянного тока, а также межфазного напряжения составляет до 1 миллиона выборок в секунду. Резольвер используется для определения текущего положения двигателя. Соединения Gigabit Ethernet и CAN обеспечивают быструю и безопасную связь между автомобилем и испытательным стендом. Все программное обеспечение инвертора разрабатывается собственными силами для обеспечения максимальной степени настройки.

Базовая плата SoC Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury Mercury ZX5

Блок обработки выбрал System-on-Chip (SoC). В большинстве случаев чистый SoC упаковывается в BGA, который трудно паять и требует нескольких слоев печатной платы для передачи сигнала на чип. SoC также нуждается во многих периферийных устройствах, таких как память, часы, интерфейс и сложный источник питания. Базовая плата Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury ZX5 SoC обеспечивает все вышеперечисленные функции на печатной плате небольшого размера. Основная плата содержит 1 ГБ DDR3L SDRAM, 512 МБ Nand Flash, Ethernet PHY и источник питания для всех напряжений. Основная плата может даже подавать питание на схемы на объединительной плате, сводя к минимуму потребность в преобразователях мощности.
К
4

Обильная вычислительная мощность

Из-за необходимости очень низкой задержки и высокой частоты обновления модулятор и все коммуникации с периферийными устройствами реализованы на FPGA. Все ключевые функции безопасности реализованы на ПЛИС: время задержки максимальной токовой защиты составляет не более 1 микросекунды, а время задержки защиты от перенапряжения - не более 2 микросекунд. На ПЛИС и процессоре реализована многоуровневая резервная система безопасности, которая контролирует друг друга и отключает инвертор при возникновении несоответствий.

Некоторые расширенные элементы управления, такие как контроль скорости и контроль тяги, реализованы на одном ядре процессора ARM Cortex-A9; другое ядро ​​отвечает за связь с блоком управления транспортным средством (VCU) или управляющим компьютером и отвечает за запись данных. .

Интерфейс с высокой пропускной способностью

Скомпилированная прошивка и битовый поток копируются на SD-карту и вставляются в объединительную плату инвертора. При запуске загрузчик копирует прошивку в память и загружает битовый поток в структуру FPGA.

FPGA обрабатывает все измерения тока с частотой дискретизации 1 миллион в секунду (1 MSps) и обрабатывает измерения напряжения со скоростью 500 000 в секунду (500 kSps). Доступ к этим компонентам осуществляется через протокол на основе SPI. Положение двигателя измеряется резольвером с параллельным интерфейсом 33 kSps. Помимо использования непосредственно модулятором, данные передаются в процессор через встроенное межсоединение AXI PL-PS. Используя эту технологию, процессор может просто изменить данные конфигурации и прочитать значение FPGA с помощью инструкций доступа к памяти.

Кроме того, вы также можете получить прямой доступ к оперативной памяти DDR3 основной платы Mercury ZX5 из структуры FPGA. Таким образом, большой объем данных журнала может быть передан в оперативную память без использования процессора. Затем данные сохраняются на SD-карту для автономного анализа перед выключением инвертора.

Температура полупроводника и выходного фильтра измеряется встроенным XADC SoC и используется непосредственно в процессоре. В автомобиле инвертор напрямую подключен к системе обработки данных через интерфейс CAN и VCU. Для запуска инвертора на испытательном стенде и подключения его к компьютеру используется интерфейс Ethernet.

Упрощенный блок питания

Основная плата Mercury ZX5 питается от одного источника питания 5 ~ 15 В. Встроенный преобразователь постоянного тока в постоянный обеспечивает все внутренние напряжения, а преобразованное на плате напряжение также подается на разъем. Эти 3,3 В и 1,8 В используются для питания аналоговых и цифровых схем на объединительной плате инвертора. Поскольку был предоставлен вышеупомянутый источник питания, работа, необходимая для источника питания, сводится к минимуму, когда пользователь разрабатывает основную плату на основе Enclustra.
К
5

Обширная поддержка дизайна

Чтобы упростить интеграцию своих модулей, Enclustra предоставляет все необходимое оборудование, программное обеспечение и вспомогательные материалы, в дополнение к руководствам пользователя, схемам, 3D-моделям, упаковкам печатных плат и таблицам длины дифференциального ввода-вывода, а также подробным документам. легко начать. Благодаря этому риск ошибок калибровки штифта сводится к минимуму.

Enclustra Build Environment (EBE) может использоваться для компиляции базовой платы Enclustra SoC, интегрированной с процессором ARM, что очень гладко. Основная плата и нижняя плата выбираются через графический интерфейс; после этого EBE загружает соответствующий битовый поток, загрузчик первой ступени (FSBL) и требуемый исходный код; наконец, компилирует U-Boot, Linux и корневой файл на основе BusyBox система.

С помощью бесплатного инструмента конфигурации модулей Enclustra (Module Configuration Tool, MCT) основная плата и объединительная плата могут быть настроены через USB без какого-либо дополнительного оборудования. Через разъем USB на нижней плате пользователи могут программировать SPI Flash ядра FPGA основной платы, читать EEPROM основной платы и настраивать периферийные устройства. Любые проблемы, с которыми сталкивается AMZ во время разработки инвертора, могут быть быстро решены при поддержке Enclustra.

Эволюция гонок следующего поколения

Новый инвертор гоночного автомобиля Mythen нового поколения AMZ снова основан на базовой плате Enclustra Mercury ZX5. Благодаря этому новому типу инвертора в гоночном автомобиле реализовано оптоволоконное соединение между двумя основными платами Mercury ZX5. Для этого используются гигабитные трансиверы. Меньшая основная плата Mars Mars ZX2 также была оценена AMZ, но ее количество входов / выходов не соответствует спросу.

Концепция приводной системы Mythen изменилась с 4 инверторов (1 инвертор управляет 1 двигателем / колесом) до 2 инверторов (каждый инвертор управляет 2 моторами). Благодаря этой новой концепции можно комбинировать множество вспомогательных цепей, уменьшить сложность и сэкономить некоторое ценное пространство. Кроме того, это открывает возможность реализации более совершенных алгоритмов управления, которые действуют на несколько двигателей.

О Formula Student

Студенческие соревнования Formula University - крупнейшие в мире соревнования инженеров, которые стартовали в 1981 году. Цель конкурса - познакомить будущих инженеров с разработкой, производством, сборкой, испытаниями и соревнованиями электрических или масляных гоночных автомобилей в течение одного года. Побеждает не обязательно команда с самой быстрой машиной, а команда с наилучшей комбинацией с точки зрения структуры, производительности, финансового планирования и аргументов в пользу продаж. В 2010 году для обучения потенциальных молодых инженеров, подготовки к будущим технологиям (например, систем электропривода) и продвижения инновационного процесса конкурсная комиссия также открыла отдельное подразделение по конкурсу электромобилей.

Об Enclustra

Enclustra - одна из ведущих мировых компаний в области FPGA. Она была основана в Швейцарии в 2004 году и стала официальным партнером Xilinx. Она также является золотым поставщиком решений Intel FPGA и официальным поставщиком решений Lattice, предоставляя основные платы / разработки для FPGA. платы, IP-ядра FPGA и полные стеки. Услуги по проектированию в настоящее время обслуживают более 1600 клиентов в более чем 70 странах мира. В 2019 году компания официально вышла на китайский рынок и основала дочернюю компанию Ruisu Yingke (Shenzhen) Technology Co., Ltd. В начале ее создания была создана местная команда инженеров для обеспечения лучшей локализованной поддержки и услуг для китайских клиентов. .