Technologies

News information

Rui Su Yingke Zynq 7015 xe điện công thức điều khiển bằng bảng cốt lõi giành chiến thắng trong cuộc thi FS

Phát hành vào : 19 thg 11, 2021

Rui Su Yingke Zynq 7015 xe điện công thức điều khiển bằng bảng cốt lõi giành chiến thắng trong cuộc thi FS
board cốt lõi ynq 7015 Đua xe công thức
1

Formula Student là cuộc thi kỹ sư lớn nhất thế giới. Nhờ hệ thống truyền động điện sáng tạo dựa trên các mô-đun FPGA, nhóm sinh viên AMZ ở Zurich, Thụy Sĩ đã chiến thắng thành công trong cuộc thi. Xe đua của đội AMZ được trang bị 4 biến tần dựa trên bo mạch lõi Enclustra Mercury ZX5 (dựa trên Xilinx Zynq 7015 SoC), tạo ra thời gian vòng đua nhanh nhất.
Đến
2

Có 18 cuộc đua mỗi năm trong Cuộc thi Sinh viên Cao đẳng Công thức, với hơn 600 đội sinh viên tham gia. Đội đua AMZ (Akademischer Motorsportverein Zürich) bao gồm các sinh viên đến từ Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Zurich và Đại học Khoa học Ứng dụng Thụy Sĩ Lucerne. Trong lịch sử của sự kiện này hơn mười năm, do sự cải tiến liên tục của các khái niệm và sự ra đời của các cải tiến, chẳng hạn như việc sử dụng các mô-đun bảng lõi FPGA Để điều khiển động cơ truyền động điện, nó đã tạo ra kỷ lục thế giới cho một chiếc ô tô điện tăng tốc từ 0 đến 100 km / h trong 1,513 giây. Để đảm bảo tính cạnh tranh, các thành phần khác nhau của xe đua phải được phối hợp và tích hợp vào một hệ thống hiệu suất cao đáng tin cậy. AMZ đã tự mình phát triển hầu hết các thành phần để đạt được điều này.

Con đường khát vọng

Mục tiêu của cuộc đua Eiger (tất cả những chiếc xe đều được đặt tên theo các ngọn núi ở Thụy Sĩ) là giành được càng nhiều điểm càng tốt trong cuộc đua, đạt được thời gian vòng đua nhanh nhất. Thông qua mô phỏng tốc độ vòng đua, tính toán năng lượng và phân tích dữ liệu nhật ký trong vài mùa giải qua, AMZ đã quyết định áp dụng hệ thống dẫn động bốn bánh hoàn toàn tùy chỉnh, cấu trúc lưu trữ đơn polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP), động lực học chất lỏng tính toán (CFD) và xác minh bằng gió Các lắp ráp hàng không và hệ thống treo thủy lực.

Biến tần dựa trên bảng lõi FPGA

Trong lịch sử của AMZ, đây là lần đầu tiên nhóm tự mình phát triển tất cả các thành phần của hệ thống điện. Cuối cùng, biến tần đã được phát triển, dựa trên bo mạch lõi FPGA của Enclustra. Biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều của pin lithium thành dòng điện xoay chiều ba pha để chạy động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

Bốn bộ biến tần tự phát triển, mỗi bộ điều khiển một động cơ; một bộ điều chế điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC) tự phát triển chạy trên bo mạch lõi Enclustra Mercury ZX5 (dựa trên hệ thống trên chip Xilinx Zynq 7015). VHDL giúp bạn có thể ước tính dòng động cơ hiện tại và tính toán vị trí công tắc mới sau mỗi 10 nano giây - điều này là không thể với bộ vi điều khiển hoặc hệ thống dựa trên DSP.
Đến
3

Mô-đun SiC MOSFET 1200 volt tùy chỉnh có điện trở chỉ 10 mili giây. Nó sử dụng trình điều khiển cổng thông minh tự phát triển và sử dụng các cánh tản nhiệt in 3D để làm mát bằng nước, giúp giảm tổn thất dẫn và chuyển mạch, cải thiện tốc độ chuyển mạch và giảm sự gia tăng thời gian Đến 39 nano giây. Hai tụ điện kết nối DC 47 nanofarad bổ sung trên bo mạch lõi có thể làm giảm điện cảm vòng nguồn. Một mạch DC lai với 6 tụ gốm Ceralink microfarad và 240 tụ phim microfarad được sử dụng để giảm trọng lượng và giảm gợn sóng điện áp liên kết DC. Hai PCB được thiết kế với các đầu vào đồng 1 mm để kết nối hệ thống kéo nhằm giảm diện tích của bảng mạch. Để điều khiển động cơ, phép đo dòng điện ba pha, điện áp kết nối DC và dòng điện và điện áp pha-pha lên đến 1 triệu mẫu mỗi giây. Một bộ phân giải được sử dụng để xác định vị trí hiện tại của động cơ. Kết nối Gigabit Ethernet và CAN đảm bảo giao tiếp nhanh chóng và an toàn giữa xe hơi và băng ghế thử nghiệm. Để có mức độ tùy biến cao nhất, toàn bộ phần mềm biến tần được phát triển nội bộ.

Enclustra (Ruisu Yingke) Bảng lõi Mercury Mercury ZX5 SoC

Đơn vị xử lý đã chọn System-on-Chip (SoC). Trong hầu hết các trường hợp, SoC trần được đóng gói trong BGA, rất khó hàn và cần nhiều lớp PCB để dẫn tín hiệu đến chip. SoC cũng cần nhiều thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như bộ nhớ, xung nhịp, giao diện và nguồn điện phức tạp. Bo mạch lõi Enclustra (Ruisu Yingke) Mercury ZX5 SoC cung cấp tất cả các chức năng trên trên một PCB kích thước nhỏ. Bo mạch lõi chứa 1GB DDR3L SDRAM, 512MB Nand Flash, một PHY Ethernet và nguồn điện cho tất cả các điện áp. Bảng mạch lõi thậm chí có thể cung cấp năng lượng cho các mạch trên bảng nối đa năng, giảm thiểu nhu cầu sử dụng bộ chuyển đổi điện năng.
Đến
4

Sức mạnh tính toán dồi dào

Do nhu cầu về độ trễ rất thấp và tốc độ làm mới cao, bộ điều biến và tất cả các giao tiếp với thiết bị ngoại vi được thực hiện trên FPGA. Tất cả các chức năng an toàn chính đều được triển khai trên FPGA. Thời gian trễ của bảo vệ quá dòng tối đa là 1 micro giây và thời gian trễ của bảo vệ quá áp tối đa là 2 micro giây. Hệ thống an toàn dự phòng nhiều lớp được thực hiện trên FPGA và bộ xử lý. Bộ xử lý và FPGA giám sát lẫn nhau và tắt biến tần khi xảy ra mâu thuẫn.

Một số điều khiển nâng cao, chẳng hạn như kiểm soát tốc độ và kiểm soát lực kéo, được thực hiện trên một lõi của bộ xử lý ARM Cortex-A9; lõi còn lại chịu trách nhiệm giao tiếp với thiết bị điều khiển phương tiện (VCU) hoặc máy tính điều khiển và chịu trách nhiệm ghi dữ liệu .

Giao diện băng thông cao

Phần sụn và dòng bit đã biên dịch được sao chép vào thẻ SD và đưa vào bảng nối đa năng của biến tần. Khi khởi động, bộ nạp khởi động sao chép phần sụn vào bộ nhớ và tải dòng bit vào cấu trúc FPGA.

FPGA xử lý tất cả các phép đo hiện tại với tốc độ lấy mẫu 1 triệu mỗi giây (1MSps) và xử lý các phép đo điện áp với tốc độ 500.000 mỗi giây (500 kSps). Các thành phần này được truy cập thông qua một giao thức dựa trên SPI. Vị trí động cơ được đo bằng bộ phân giải có giao diện song song 33 kSps. Ngoài việc được sử dụng trực tiếp bởi bộ điều chế, dữ liệu được truyền tới bộ xử lý thông qua kết nối AXI PL-PS tích hợp. Sử dụng công nghệ này, bộ xử lý có thể chỉ cần thay đổi dữ liệu cấu hình và đọc giá trị của FPGA thông qua các lệnh truy cập bộ nhớ.

Ngoài ra, bạn cũng có thể truy cập trực tiếp vào RAM DDR3 của bo mạch lõi Mercury ZX5 từ cấu trúc FPGA. Bằng cách này, một lượng lớn dữ liệu nhật ký có thể được chuyển vào RAM mà không cần sử dụng bộ xử lý. Sau đó, dữ liệu được lưu trữ vào thẻ SD để phân tích ngoại tuyến trước khi tắt máy biến tần.

Nhiệt độ của bộ lọc bán dẫn và đầu ra được đo bằng XADC tích hợp của SoC và được sử dụng trực tiếp trên bộ xử lý. Trong ô tô, biến tần được kết nối trực tiếp với hệ thống xử lý thông qua giao diện CAN và VCU. Để chạy biến tần trên băng ghế thử nghiệm và kết nối nó với máy tính, một giao diện Ethernet được sử dụng.

Đơn giản hóa cung cấp điện

Bảng lõi Mercury ZX5 được cung cấp bởi một nguồn điện 5 ~ 15V. Bộ chuyển đổi DC / DC trên bo mạch cung cấp tất cả các điện áp bên trong và điện áp được chuyển đổi trên bo mạch cũng được dẫn đến đầu nối. 3.3V và 1.8V này được sử dụng để cấp nguồn cho các mạch tương tự và kỹ thuật số trên bảng nối đa năng biến tần. Bởi vì nguồn điện nói trên đã được cung cấp, công việc cần thiết cho nguồn điện được giảm thiểu khi người dùng phát triển bo mạch lõi dựa trên Enclustra.
Đến
5

Hỗ trợ thiết kế mở rộng

Để đơn giản hóa việc tích hợp các mô-đun của nó, Enclustra cung cấp tất cả phần cứng, phần mềm và vật liệu hỗ trợ cần thiết, ngoài hướng dẫn sử dụng, sơ đồ, mô hình 3D, bao bì PCB và bảng chiều dài I / O vi sai, và các tài liệu chi tiết Và thiết kế tham khảo làm cho thật dễ dàng để bắt đầu. Do đó, nguy cơ lỗi hiệu chuẩn pin được giảm thiểu.

Enclustra Build Environment (EBE) có thể được sử dụng để biên dịch bo mạch lõi Enclustra SoC tích hợp với bộ vi xử lý ARM, hoạt động rất mượt mà. Bo mạch lõi và bo mạch dưới cùng được chọn thông qua giao diện đồ họa; sau đó, EBE tải xuống dòng bit thích hợp, bộ tải khởi động giai đoạn đầu (FSBL) và mã nguồn cần thiết; cuối cùng biên dịch U-Boot, Linux và tệp gốc dựa trên BusyBox hệ thống.

Với công cụ cấu hình mô-đun miễn phí của Enclustra (Công cụ cấu hình mô-đun, MCT), bảng mạch lõi và bảng nối đa năng có thể được định cấu hình qua USB mà không cần bất kỳ phần cứng bổ sung nào. Thông qua đầu nối USB trên bo mạch dưới cùng, người dùng có thể lập trình Flash SPI lõi FPGA của bo mạch chính, đọc EEPROM của bo mạch chính và cấu hình thiết bị ngoại vi. Mọi vấn đề mà AMZ gặp phải trong quá trình phát triển biến tần đều có thể được giải quyết nhanh chóng với sự hỗ trợ của Enclustra.

Sự phát triển của thế hệ đua tiếp theo

Biến tần mới của Mythen đua thế hệ tiếp theo của AMZ một lần nữa dựa trên bo mạch lõi Enclustra Mercury ZX5. Thông qua loại biến tần mới này, kết nối cáp quang giữa hai bo mạch lõi Mercury ZX5 được thực hiện trên xe đua. Đối với điều này, bộ thu phát gigabit được sử dụng. Bảng lõi Mars Mars ZX2 nhỏ hơn cũng đã được AMZ đánh giá, nhưng số lượng I / O của nó không đáp ứng được nhu cầu.

Khái niệm về hệ thống truyền động Mythen đã thay đổi từ 4 biến tần (1 biến tần điều khiển 1 động cơ / bánh xe) thành 2 biến tần (mỗi biến tần điều khiển 2 động cơ). Do khái niệm mới này, nhiều mạch phụ có thể được kết hợp, độ phức tạp được giảm bớt và một số không gian có giá trị cũng được tiết kiệm. Ngoài ra, nó còn mở ra khả năng triển khai các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn hoạt động trên nhiều động cơ.

Giới thiệu về Formula Student

Cuộc thi Sinh viên Đại học Công thức là cuộc thi kỹ sư lớn nhất thế giới, bắt đầu từ năm 1981. Mục đích của cuộc thi là giới thiệu các kỹ sư tương lai về phát triển, sản xuất, lắp ráp, thử nghiệm và thi đấu các loại xe đua chạy bằng điện hoặc chạy bằng dầu trong vòng một năm. Người chiến thắng không nhất thiết phải là đội có chiếc xe nhanh nhất, mà là đội có sự kết hợp tốt nhất về cấu trúc, hiệu suất, kế hoạch tài chính và lập luận bán hàng. Năm 2010, để đào tạo các kỹ sư trẻ tiềm năng, chuẩn bị cho các công nghệ tương lai (như hệ thống truyền động điện), và thúc đẩy quá trình đổi mới, ban tổ chức cuộc thi cũng đã mở một đơn vị cạnh tranh riêng về xe điện.

Về Enclustra

Enclustra là một trong những công ty hàng đầu thế giới trong lĩnh vực FPGA, được thành lập tại Thụy Sĩ vào năm 2004 và trở thành đối tác chính thức của Xilinx. Đây cũng là nhà cung cấp giải pháp vàng FPGA của Intel và nhà cung cấp giải pháp Lattice chính thức, cung cấp phát triển / bảng mạch lõi FPGA bo mạch, lõi IP FPGA và ngăn xếp đầy đủ. Dịch vụ thiết kế, hiện đang phục vụ hơn 1600 khách hàng tại hơn 70 quốc gia trên thế giới. Vào năm 2019, công ty chính thức thâm nhập thị trường Trung Quốc và thành lập công ty con Ruisu Yingke (Shenzhen) Technology Co., Ltd. .