挪威科技大學(xué)Revolve團(tuán)隊基于瑞蘇盈科MPSoC核心板打造電動方程式賽車

文章作者：Eskil Aaning Mogstad，負(fù)責(zé)挪威科技大學(xué)Revolve團(tuán)隊的逆變器開發(fā)，已授權(quán)Enclustra瑞蘇盈科使用及發(fā)布本文。

圖1：LUNA

大學(xué)生方程式汽車大賽（Formula Student）是全球最大的大學(xué)生工程師競賽，有來自全球大約1000所大學(xué)的團(tuán)隊參加。來自挪威科技大學(xué)的Revolve團(tuán)隊成立于2010年，已經(jīng)打造了9輛方程式賽車，其中包括5輛四驅(qū)電動車。

圖2：LUNA在車庫中

Revolve動力系統(tǒng)

目前Revolve團(tuán)隊采用的動力系統(tǒng)配備了一個鋰電池蓄能器，可以在600V直流下提供高達(dá)80kW的推進(jìn)功率，4個內(nèi)部永磁同步電機(jī)（每個輪子配備一個）由4個自主研發(fā)的逆變器驅(qū)動。

逆變器負(fù)責(zé)將蓄電池上的直流電流轉(zhuǎn)換成變幅、變頻的三相交流電供永磁同步電機(jī)使用。電力電子開關(guān)可將直流轉(zhuǎn)換成交流，在本項目中SiC MOSFET晶體管額定電壓為1200V、電流處理能力超過100A。電機(jī)本身使用磁場定向控制，它是一種矢量控制方法，使用電流、電壓和位置反饋來計算占空比從而控制逆變器。

采用核心板

在2020賽季，Revolve團(tuán)隊決定放棄基于SoC打造車輛控制單元，轉(zhuǎn)而采用Enclustra瑞蘇盈科ZX5 7015/30核心板（System on module, SoM）。這大大降低了底板的復(fù)雜度，從8層板降低到4層板，并且去掉了SoC所需的大部分外圍電路。我們選擇瑞蘇盈科ZX5核心板主要是它極具競爭力的小體積、易使用、易實現(xiàn)項目目標(biāo)，此前早在2016年的一個項目中Revolve團(tuán)隊就曾使用瑞蘇盈科ZX5核心板。此外，我們的一些合作公司有使用瑞蘇盈科核心板的經(jīng)驗，一些來自這些公司的電子部門的校友收集并提供了使用瑞蘇盈科核心板的經(jīng)驗，這對我們非常有益。

圖3：瑞蘇盈科ZX5-15/30核心板

開始逆變器和電機(jī)控制器的重新設(shè)計

2020年的大學(xué)生方程式汽車大賽因疫情被取消，同時Revolve團(tuán)隊也發(fā)現(xiàn)：受疫情影響很難完成2020年的汽車設(shè)計，好的一面是：我們突然發(fā)現(xiàn)有額外6個月的時間用于新車型的設(shè)計，我們很快著手研究不同的理念——其中一個是完全重新設(shè)計逆變器和電機(jī)。我們主要關(guān)注的是改進(jìn)系統(tǒng)封裝和增加可維護(hù)性，減少系統(tǒng)的重量并不是重新設(shè)計的主要關(guān)注點，但我們很快意識到這方面也有很大的潛力。其主要思路是用核心板替換分立式晶體管，大大提高系統(tǒng)的處理能力，從而創(chuàng)建一個平臺，未來我們可以在這個平臺上專注于改進(jìn)控制算法。

圖4：逆變器組件渲染圖

由于ZX5 VCU（Vehicle Control Unit，車輛控制單元）項目在2020年的成功，基于核心板打造電機(jī)控制器底板就自然而然成為一個很好的解決方案。我們決定先找一個核心板制造商再找核心板，基于我們過去的經(jīng)驗，很快我們選擇了瑞蘇盈科的核心板。由于我們重新設(shè)計電機(jī)控制器的其中一個目標(biāo)是打造一個可以讓我們專注于開發(fā)電機(jī)控制算法的平臺，所以我們想要一款具備強(qiáng)大SoC、同時體積非常小的核心板。最終我們選用了瑞蘇盈科XU5-4EV核心板——基于Zynq UltraScale+ MPSoC，相比基于Zynq 7000的ZX5在性能上有巨大提升，預(yù)計在未來幾年里擁有足夠的計算能力。

圖5：瑞蘇盈科XU5-2CG/2EG/3EG/4EV/5EV核心板

采用核心板的好處

相比基于SoC做整板設(shè)計，采用核心板的一個巨大的好處是縮短研發(fā)時間，因為最復(fù)雜的部分已經(jīng)被集成到核心板中。例如，采用核心板便無需引出BGA封裝的784引腳和復(fù)雜的接口（如DDR高速存儲）——這需要相當(dāng)多的時間去打造一個多層PCB。

XU5-4EV核心板的另一個優(yōu)點是其包含電源。核心板只需要5~12V單電源供電，核心板可以產(chǎn)生所有自身所需電平——包括1.8V、2.5V和3.3V，這些電平也可以為底板上的電路供電，無需額外的電源轉(zhuǎn)換器，大大簡化了底板設(shè)計。

圖6：瑞蘇盈科XU5核心板結(jié)構(gòu)框圖

計算能力

我們選擇瑞蘇盈科XU5-4EV核心板的主要原因之一是處理能力的巨大提升。在我們之前的電機(jī)控制器中，大約有4個基于Cortex M7的MCU運行在300MHz，每個MCU控制一個電機(jī)，幾乎沒有剩余的計算時間，這讓我們無法增加開關(guān)頻率、提高性能或轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。升級到XU5-4EV給了我們更多的處理能力——包括4個1.3 GHz的Cortex A53核、2個500 MHz的Cortex R5核、外加一個FPGA——這將滿足我們未來幾年的計算需求。

軟件架構(gòu)

在我們的設(shè)計中，我們選擇在兩個R5核上運行電機(jī)控制算法。幾個IP核是用VHDL開發(fā)的，以運行在XU5-4EV中包含的FPGA上：包括一個PWM外設(shè)、不同ADC核和一個看門狗模塊(在出現(xiàn)過流等錯誤時禁用電源級)。

A53核暫時沒有被用于我們的設(shè)計，我們正在計劃未來在A53上運行嵌入式Linux、開發(fā)數(shù)據(jù)記錄/配置應(yīng)用程序和系統(tǒng)調(diào)優(yōu)應(yīng)用程序，創(chuàng)建一個性能強(qiáng)大且可配置的系統(tǒng)來給系統(tǒng)瘦身和提高性能。

開發(fā)歷程

新型變頻器和電機(jī)控制器的開發(fā)非常迅速：這個系統(tǒng)的概念始于2020年3月；在春末和夏季，我們設(shè)計了該系統(tǒng)的原理圖和布局；秋季我們?nèi)妗氐椎販y試了硬件、FPGA、軟件和新的動力電子系統(tǒng)——這一切使得我們能夠在2020年12月中旬使用全新的發(fā)動機(jī)。

圖7：逆變器控制卡，基于瑞蘇盈科XU5-4EV核心板，負(fù)責(zé)控制4個內(nèi)置永磁同步電機(jī)

2021年春季我們開始了電力電子設(shè)備的電流處理測試，檢查了在模擬加速、AutoX和耐力測試中電力電子設(shè)備的發(fā)熱和散熱情況。測試成功后，我們將重心轉(zhuǎn)移到使電機(jī)控制算法在弱磁區(qū)域工作。在2021年3月10日，我們終于在新的控制卡和電力電子設(shè)備的幫助下，使我們的馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到了20kRPM，取得了巨大的突破！此后我們開始致力于使固件能夠同時控制4個逆變器/電機(jī)而不是1個。遺憾的是該項目在4月份被擱置，因為我們認(rèn)為在2021年LUNA車型的測試季之前不可能完成該系統(tǒng)，所以我們優(yōu)先將重點放在電子部門的其他工作上。

圖8：結(jié)構(gòu)框圖

我們正在繼續(xù)逆變器和電機(jī)控制器的開發(fā)，希望我們能夠在2022賽季之前完成下一代汽車的系統(tǒng)。

圖9：安裝

圖10：試車

The end

瑞蘇盈科(Enclustra)是FPGA領(lǐng)域全球一流的公司之一，04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，提供高度集成的FPGA核心板模塊、久經(jīng)優(yōu)化的FPGA IP核、全棧FPGA定制化設(shè)計服務(wù)（從高速硬件或HDL固件到嵌入式軟件），目前在全球70+國家服務(wù)1600+客戶。2019年正式進(jìn)入中國市場，成立子公司瑞蘇盈科（深圳）科技有限公司，成立之初便建立本土工程師團(tuán)隊，為中國客戶帶來更好的本土化支持與服務(wù)。