瑞蘇盈科Zynq 7015核心板驅動的電動方程式賽車問鼎FS大賽

大學生方程式汽車大賽（Formula Student）是全球最大的工程師競賽。得益于創(chuàng)新的、基于FPGA模塊的電動傳動系統(tǒng)，位于瑞士蘇黎世的AMZ學生團隊成功問鼎這項賽事。AMZ團隊的賽車配備了4臺基于Enclustra(瑞蘇盈科)水星Mercury ZX5核心板（基于XilinxZynq 7015 SoC）打造的逆變器，創(chuàng)造了最快圈速。

大學生方程式汽車大賽每年有18場比賽，超過600個學生隊伍參加。AMZ (Akademischer Motorsportverein Zürich)賽車隊由來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學和瑞士盧塞恩應用科學大學的學生組成，在這項賽事十幾年的歷史中，由于概念的不斷改進和引入創(chuàng)新，如使用FPGA核心板模塊來控制電力驅動的電機，它創(chuàng)造了電動汽車在1.513秒內從0加速到100 km/h的世界紀錄。為了保證競爭力，賽車的各個組件必須協(xié)調并集成到一個可靠的高性能系統(tǒng)中，AMZ自己開發(fā)了大多數組件，做到了這一點。

問鼎之路

賽車Eiger（所有賽車都以瑞士山脈命名）的目標是在比賽中得到盡可能多的分數，這通過達到最快圈速實現(xiàn)。通過圈速模擬、能量計算和過去幾個賽季的日志數據分析，AMZ決定采用純定制四輪驅動系統(tǒng)、碳纖維增強聚合物（CFRP）單倉結構、計算流體動力學（CFD）、經過風動驗證的航空總成和液壓懸架。

基于FPGA核心板的逆變器

在AMZ的歷史上，這是該團隊首次自行開發(fā)動力系統(tǒng)的所有組件。最后被開發(fā)的是逆變器，基于Enclustra(瑞蘇盈科)的FPGA核心板。逆變器將鋰電池的直流電轉換為三相交流電，以運行永磁同步電機。

4臺自主研發(fā)的逆變器各控制一臺電機；一個自主研發(fā)的直接轉矩控制（DTC）調制器運行在Enclustra(瑞蘇盈科)水星Mercury ZX5核心板（基于Xilinx Zynq 7015片上系統(tǒng)）。VHDL使每10納秒估算電機當前電流和計算新的開關位置成為可能——這用基于微控制器或者DSP的系統(tǒng)是不可能實現(xiàn)的。

定制的1200伏特SiCMOSFET模塊，其開阻僅為10毫歐姆，采用自主研發(fā)的智能柵極驅動器，通過3D打印冷卻片進行水冷卻，降低了導通和開關損耗、提高開關速度，上升時間降至39納秒。核心板上額外的兩個47納法直流連接電容可以降低電源回路電感。采用6微法Ceralink陶瓷電容和240微法薄膜電容的混合直流電路以減少重量和降低直流鏈路電壓紋波。兩個PCB設計為1毫米銅入口，用于牽引系統(tǒng)的連接，以減少電路板面積。為了控制電機，三相電流、直流連接電壓和電流、相與相之間電壓的測量，每秒高達100萬個樣本。一個解析器用于確定電機的當前位置。千兆以太網和CAN連接確保了汽車與試驗臺快速和安全的通信。為了最高的定制化程度，整個逆變器軟件都是內部開發(fā)。

水星Mercury ZX5 SoC核心板

處理單元選擇了片上系統(tǒng)（System-on-Chip，SoC）。裸SoC在多數情況下被封裝在BGA中，難焊接且需要多層PCB將信號引到芯片。SoC還需要很多外設，如內存、時鐘、接口、復雜的供電。Enclustra(瑞蘇盈科)水星MercuryZX5 SoC核心板在一個小尺寸PCB上提供了上述所有功能。該核心板包含1GB DDR3L SDRAM，512MB Nand Flash，一個以太網PHY和一個提供所有電壓的電源。該核心板甚至可以為底板上的電路供電，最大限度地減少對電源轉換器的需求。

豐富的計算能力

因為需要很低的延遲和高刷新頻率，所以調制器、所有與外設的通訊都在FPGA上實現(xiàn)。所有關鍵的安全功能都在FPGA上實現(xiàn)，過流保護的延遲時間最多為1微秒，過壓保護的延遲時間最多為2微秒。在FPGA和處理器上實現(xiàn)了多層冗余安全系統(tǒng)，處理器和FPGA相互監(jiān)控，并在出現(xiàn)不一致時關閉逆變器。

在ARM Cortex-A9處理器的一個核上實現(xiàn)了一些高級控制，如速度控制和牽引力控制；另一個核負責與車輛控制單元（vehicle control unit，VCU）或控制用計算機通信，同時負責數據記錄。

高帶寬的接口

編譯好的固件連同比特流被復制到SD卡中，插入逆變器底板。啟動時，引導程序將固件復制到內存中，并將比特流加載到FPGA結構中。

FPGA以每秒100萬（1 MSps）的采樣速率處理所有電流測量量，并以每秒50萬（500 kSps）的速率處理電壓測量量。這些組件通過基于SPI的協(xié)議進行訪問。通過一個具有33 kSps并聯(lián)接口的解析器測量電機位置。除了直接由調制器使用，數據通過集成AXI PL-PS互連傳輸到處理器。利用該技術，處理器可以簡單地改變配置數據，并通過內存訪問指令讀取FPGA的值。

此外，還可以直接從FPGA結構訪問水星ZX5核心板的DDR3 RAM。這樣就可以在不使用處理器的情況下將大量日志數據傳輸到RAM中。然后，在逆變器關閉之前將該數據存儲到SD卡進行離線分析。

半導體和輸出濾波器的溫度用SoC的內置XADC測量，并直接在處理器上使用。在車內，逆變器通過CAN接口與VCU直接連接到處理系統(tǒng)。為了在測試臺上運行逆變器并將其連接到計算機，使用了以太網接口。

簡化的電源

水星ZX5核心板由一個5~15V的單一電源供電，板載的DC/DC轉換器提供所有內部所需電壓，板上轉化出的電壓也都被引出到連接器。在逆變器底板上這些3.3V和1.8V被用于給模擬和數字電路供電。因為上述電源已經被提供，所以用戶在基于Enclustra(瑞蘇盈科)的核心板做開發(fā)時，電源方面需要做的工作被最小化了。

廣泛的設計支持

為了簡化其模塊的集成工作，Enclustra(瑞蘇盈科)提供了所有必需的硬件、軟件和支持材料，除了用戶手冊、原理圖、3D模型、PCB封裝和差分I/O長度表外，詳細的文檔和參考設計使入門變得很容易。也正因為如此，pin校準錯誤的風險被最小化。

瑞蘇盈科構建環(huán)境(Enclustra Build Environment，EBE)可用于編譯集成了ARM處理器的EnclustraSoC核心板，非常流暢。核心板和底板通過圖形界面進行選擇；在那之后，EBE下載適當的比特流，第一階段引導加載程序(FSBL)和所需的源代碼；最后編譯U-Boot、Linux和基于BusyBox的根文件系統(tǒng)。

有了Enclustra(瑞蘇盈科)免費提供的模塊配置工具(Module Configuration Tool，MCT)，核心板和底板可以通過USB進行配置，無需任何額外的硬件。通過底板上的USB連接器，用戶可以編程核心板的FPGA核SPI Flash、讀取核心板的EEPROM、配置外設。AMZ在開發(fā)逆變器過程中遇到的問題都可以在Enclustra(瑞蘇盈科)的支持下快速解決。

下一代賽車的進化

AMZ下一代賽車Mythen的新型逆變器再次基于Enclustra(瑞蘇盈科)水星MercuryZX5核心板打造。通過這種新型逆變器，兩個水星ZX5核心板之間的光纖連接在賽車中實現(xiàn)。為此，千兆位收發(fā)器被使用。尺寸更小的火星Mars ZX2核心板也被AMZ評估過，但它的I/O數不滿足需求。

Mythen傳動系統(tǒng)的概念從4個逆變器（1個逆變器控制1個電機/車輪）變成2個逆變器（每個逆變器控制2個電機）。由于這個新概念，許多輔助電路可以合并，復雜度降低，也節(jié)省了一些寶貴的空間。此外，它打開了實現(xiàn)更先進的控制算法的可能性，這些算法作用于多個電機。

關于大學生方程式汽車大賽（Formula Student）

大學生方程式汽車大賽是世界上最大的工程師競賽，始于1981年。競賽的目的是在一年的時間內向未來的工程師介紹電動或油動賽車的開發(fā)、生產、組裝、測試和競賽。獲勝者不一定是擁有最快賽車的車隊，而是在結構、性能、財務規(guī)劃和銷售論點方面擁有最佳組合的車隊。2010年，為了培養(yǎng)潛在的年輕工程師，為未來的技術(如電動傳動系統(tǒng))做好準備，并推進創(chuàng)新過程，賽委會還為電動汽車開設了一個單獨的競賽單元。

瑞蘇盈科(Enclustra)是FPGA領域全球一流的公司之一， 2004年成立于瑞士并成為Xilinx官方合作伙伴，同時是Intel FPGA金牌方案商、Microchip官方方案商，提供FPGA核心板/開發(fā)板、FPGA IP核、全棧設計服務，目前有來自19個國家的員工在全球70+國家服務1600+客戶。2019年正式進入中國市場，成立全資子公司瑞蘇盈科（深圳）科技有限公司，成立之初便建立本土工程師團隊，為中國客戶帶來更好的本土化支持與服務。