瑞苏盈科Zynq 7015核心板驱动的电动方程式赛车问鼎FS大赛

大学生方程式汽车大赛(Formula Student)是全球最大的工程师竞赛。得益于创新的、基于FPGA模块的电动传动系统,位于瑞士苏黎世的AMZ学生团队成功问鼎这项赛事。AMZ团队的赛车配备了4台基于Enclustra(瑞苏盈科)水星Mercury ZX5核心板(基于XilinxZynq 7015 SoC)打造的逆变器,创造了最快圈速。

大学生方程式汽车大赛每年有18场比赛,超过600个学生队伍参加。AMZ (Akademischer Motorsportverein Zürich)赛车队由来自瑞士苏黎世联邦理工大学和瑞士卢塞恩应用科学大学的学生组成,在这项赛事十几年的历史中,由于概念的不断改进和引入创新,如使用FPGA核心板模块来控制电力驱动的电机,它创造了电动汽车在1.513秒内从0加速到100 km/h的世界纪录。为了保证竞争力,赛车的各个组件必须协调并集成到一个可靠的高性能系统中,AMZ自己开发了大多数组件,做到了这一点。

问鼎之路

赛车Eiger(所有赛车都以瑞士山脉命名)的目标是在比赛中得到尽可能多的分数,这通过达到最快圈速实现。通过圈速模拟、能量计算和过去几个赛季的日志数据分析,AMZ决定采用纯定制四轮驱动系统、碳纤维增强聚合物(CFRP)单仓结构、计算流体动力学(CFD)、经过风动验证的航空总成和液压悬架。

基于FPGA核心板的逆变器

在AMZ的历史上,这是该团队首次自行开发动力系统的所有组件。最后被开发的是逆变器,基于Enclustra(瑞苏盈科)的FPGA核心板。逆变器将锂电池的直流电转换为三相交流电,以运行永磁同步电机。

4台自主研发的逆变器各控制一台电机;一个自主研发的直接转矩控制(DTC)调制器运行在Enclustra(瑞苏盈科)水星Mercury ZX5核心板(基于Xilinx Zynq 7015片上系统)。VHDL使每10纳秒估算电机当前电流和计算新的开关位置成为可能——这用基于微控制器或者DSP的系统是不可能实现的。

定制的1200伏特SiCMOSFET模块,其开阻仅为10毫欧姆,采用自主研发的智能栅极驱动器,通过3D打印冷却片进行水冷却,降低了导通和开关损耗、提高开关速度,上升时间降至39纳秒。核心板上额外的两个47纳法直流连接电容可以降低电源回路电感。采用6微法Ceralink陶瓷电容和240微法薄膜电容的混合直流电路以减少重量和降低直流链路电压纹波。两个PCB设计为1毫米铜入口,用于牵引系统的连接,以减少电路板面积。为了控制电机,三相电流、直流连接电压和电流、相与相之间电压的测量,每秒高达100万个样本。一个解析器用于确定电机的当前位置。千兆以太网和CAN连接确保了汽车与试验台快速和安全的通信。为了最高的定制化程度,整个逆变器软件都是内部开发。

水星Mercury ZX5 SoC核心板

处理单元选择了片上系统(System-on-Chip,SoC)。裸SoC在多数情况下被封装在BGA中,难焊接且需要多层PCB将信号引到芯片。SoC还需要很多外设,如内存、时钟、接口、复杂的供电。Enclustra(瑞苏盈科)水星MercuryZX5 SoC核心板在一个小尺寸PCB上提供了上述所有功能。该核心板包含1GB DDR3L SDRAM,512MB Nand Flash,一个以太网PHY和一个提供所有电压的电源。该核心板甚至可以为底板上的电路供电,最大限度地减少对电源转换器的需求。

丰富的计算能力

因为需要很低的延迟和高刷新频率,所以调制器、所有与外设的通讯都在FPGA上实现。所有关键的安全功能都在FPGA上实现,过流保护的延迟时间最多为1微秒,过压保护的延迟时间最多为2微秒。在FPGA和处理器上实现了多层冗余安全系统,处理器和FPGA相互监控,并在出现不一致时关闭逆变器。

在ARM Cortex-A9处理器的一个核上实现了一些高级控制,如速度控制和牵引力控制;另一个核负责与车辆控制单元(vehicle control unit,VCU)或控制用计算机通信,同时负责数据记录。

高带宽的接口

编译好的固件连同比特流被复制到SD卡中,插入逆变器底板。启动时,引导程序将固件复制到内存中,并将比特流加载到FPGA结构中。

FPGA以每秒100万(1 MSps)的采样速率处理所有电流测量量,并以每秒50万(500 kSps)的速率处理电压测量量。这些组件通过基于SPI的协议进行访问。通过一个具有33 kSps并联接口的解析器测量电机位置。除了直接由调制器使用,数据通过集成AXI PL-PS互连传输到处理器。利用该技术,处理器可以简单地改变配置数据,并通过内存访问指令读取FPGA的值。

此外,还可以直接从FPGA结构访问水星ZX5核心板的DDR3 RAM。这样就可以在不使用处理器的情况下将大量日志数据传输到RAM中。然后,在逆变器关闭之前将该数据存储到SD卡进行离线分析。

半导体和输出滤波器的温度用SoC的内置XADC测量,并直接在处理器上使用。在车内,逆变器通过CAN接口与VCU直接连接到处理系统。为了在测试台上运行逆变器并将其连接到计算机,使用了以太网接口。

简化的电源

水星ZX5核心板由一个5~15V的单一电源供电,板载的DC/DC转换器提供所有内部所需电压,板上转化出的电压也都被引出到连接器。在逆变器底板上这些3.3V和1.8V被用于给模拟和数字电路供电。因为上述电源已经被提供,所以用户在基于Enclustra(瑞苏盈科)的核心板做开发时,电源方面需要做的工作被最小化了。

广泛的设计支持

为了简化其模块的集成工作,Enclustra(瑞苏盈科)提供了所有必需的硬件、软件和支持材料,除了用户手册、原理图、3D模型、PCB封装和差分I/O长度表外,详细的文档和参考设计使入门变得很容易。也正因为如此,pin校准错误的风险被最小化。

瑞苏盈科构建环境(Enclustra Build Environment,EBE)可用于编译集成了ARM处理器的EnclustraSoC核心板,非常流畅。核心板和底板通过图形界面进行选择;在那之后,EBE下载适当的比特流,第一阶段引导加载程序(FSBL)和所需的源代码;最后编译U-Boot、Linux和基于BusyBox的根文件系统。

有了Enclustra(瑞苏盈科)免费提供的模块配置工具(Module Configuration Tool,MCT),核心板和底板可以通过USB进行配置,无需任何额外的硬件。通过底板上的USB连接器,用户可以编程核心板的FPGA核SPI Flash、读取核心板的EEPROM、配置外设。AMZ在开发逆变器过程中遇到的问题都可以在Enclustra(瑞苏盈科)的支持下快速解决。

下一代赛车的进化

AMZ下一代赛车Mythen的新型逆变器再次基于Enclustra(瑞苏盈科)水星MercuryZX5核心板打造。通过这种新型逆变器,两个水星ZX5核心板之间的光纤连接在赛车中实现。为此,千兆位收发器被使用。尺寸更小的火星Mars ZX2核心板也被AMZ评估过,但它的I/O数不满足需求。

Mythen传动系统的概念从4个逆变器(1个逆变器控制1个电机/车轮)变成2个逆变器(每个逆变器控制2个电机)。由于这个新概念,许多辅助电路可以合并,复杂度降低,也节省了一些宝贵的空间。此外,它打开了实现更先进的控制算法的可能性,这些算法作用于多个电机。

关于大学生方程式汽车大赛(Formula Student)

大学生方程式汽车大赛是世界上最大的工程师竞赛,始于1981年。竞赛的目的是在一年的时间内向未来的工程师介绍电动或油动赛车的开发、生产、组装、测试和竞赛。获胜者不一定是拥有最快赛车的车队,而是在结构、性能、财务规划和销售论点方面拥有最佳组合的车队。2010年,为了培养潜在的年轻工程师,为未来的技术(如电动传动系统)做好准备,并推进创新过程,赛委会还为电动汽车开设了一个单独的竞赛单元。

赛事官网:www.formulastudent.com

ETH Formula Student Project:

electric.amzracing.ch

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