瑞蘇盈科Zynq 7015核心板驅(qū)動的電動方程式賽車 問鼎FS大賽

大學(xué)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(xué)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Xilinx Zynq 7015 SoC）打造的逆變器，創(chuàng)造了最快圈速。

大學(xué)生方程式汽車大賽每年有18場比賽，超過600個學(xué)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(xué)和瑞士盧塞恩應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的學(xué)生組成，在這項賽事十幾年的歷史中， 由于概念的不斷改進(jìn)和引入創(chuàng)新，如使用FPGA核心板模塊來控制電力驅(qū)動的電機，它創(chuàng)造了電動汽車在1.513秒內(nèi)從0加速到100 km/h的世界紀(jì)錄。為了保證競爭力，賽車的各個組件必須協(xié)調(diào)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(shù)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(biāo)是在比賽中得到盡可能多的分?jǐn)?shù)，這通過達(dá)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(shù)據(jù)分析，AMZ決定采用純定制四輪驅(qū)動系統(tǒng)、碳纖維增強聚合物（CFRP）單倉結(jié)構(gòu)、計算流體動力學(xué)（CFD）、經(jīng)過風(fēng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制（DTC）調(diào)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(dāng)前電流和計算新的開關(guān)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SiC MOSFET模塊，其開阻僅為10毫歐姆，采用自主研發(fā)的智能柵極驅(qū)動器，通過3D打印冷卻片進(jìn)行水冷卻，降低了導(dǎo)通和開關(guān)損耗、提高開關(guān)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(shè)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(dá)100萬個樣本。一個解析器用于確定電機的當(dāng)前位置。千兆以太網(wǎng)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(nèi)部開發(fā)。

Enclustra(瑞蘇盈科)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(shù)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(shè)，如內(nèi)存、時鐘、接口、復(fù)雜的供電。Enclustra(瑞蘇盈科)水星Mercury ZX5 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(wǎng)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(zhuǎn)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(diào)制器、所有與外設(shè)的通訊都在FPGA上實現(xiàn)。所有關(guān)鍵的安全功能都在FPGA上實現(xiàn)，過流保護(hù)的延遲時間最多為1微秒，過壓保護(hù)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(guān)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(fù)責(zé)與車輛控制單元（vehicle control unit，VCU）或控制用計算機通信，同時負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄。

高帶寬的接口
編譯好的固件連同比特流被復(fù)制到SD卡中，插入逆變器底板。啟動時，引導(dǎo)程序?qū)⒐碳?fù)制到內(nèi)存中，并將比特流加載到FPGA結(jié)構(gòu)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(jìn)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(diào)制器使用，數(shù)據(jù)通過集成AXI PL-PS互連傳輸?shù)教幚砥?。利用該技術(shù)，處理器可以簡單地改變配置數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)存訪問指令讀取FPGA的值。

此外，還可以直接從FPGA結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)傳輸到RAM中。然后，在逆變器關(guān)閉之前將該數(shù)據(jù)存儲到SD卡進(jìn)行離線分析。

半導(dǎo)體和輸出濾波器的溫度用SoC的內(nèi)置XADC測量，并直接在處理器上使用。在車內(nèi)，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(wǎng)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(zhuǎn)換器提供所有內(nèi)部所需電壓，板上轉(zhuǎn)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(shù)字電路供電。因為上述電源已經(jīng)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(shè)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(xì)的文檔和參考設(shè)計使入門變得很容易。也正因為如此，pin校準(zhǔn)錯誤的風(fēng)險被最小化。

瑞蘇盈科構(gòu)建環(huán)境(Enclustra Build Environment，EBE)可用于編譯集成了ARM處理器的Enclustra SoC核心板，非常流暢。核心板和底板通過圖形界面進(jìn)行選擇；在那之后，EBE下載適當(dāng)?shù)谋忍亓?，第一階段引導(dǎo)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(jìn)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(shè)。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(jìn)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Mercury ZX5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(shù)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(fù)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(jìn)的控制算法的可能性，這些算法作用于多個電機。