大学生方程式汽车大赛(Formula Student)是全球最大的大学生工程师竞赛,有来自全球大约1000所大学的团队参加。来自挪威科技大学的Revolve团队成立于2010年,已经打造了9辆方程式赛车,其中包括5辆四驱电动车。

 

图1:LUNA

 

图2:LUNA在车库中

 

Revolve动力系统
目前Revolve团队采用的动力系统配备了一个锂电池蓄能器,可以在600V直流下提供高达80kW的推进功率,4个内部永磁同步电机(每个轮子配备一个)由4个自主研发的逆变器驱动。


逆变器负责将蓄电池上的直流电流转换成变幅、变频的三相交流电供永磁同步电机使用。电力电子开关可将直流转换成交流,在本项目中SiC MOSFET晶体管额定电压为1200V、电流处理能力超过100A。电机本身使用磁场定向控制,它是一种矢量控制方法,使用电流、电压和位置反馈来计算占空比从而控制逆变器。

 

采用核心板
在2020赛季,Revolve团队决定放弃基于SoC打造车辆控制单元,转而采用Enclustra瑞苏盈科ZX5 7015/30核心板(System on module, SoM)。这大大降低了底板的复杂度,从8层板降低到4层板,并且去掉了SoC所需的大部分外围电路。我们选择瑞苏盈科ZX5核心板主要是它极具竞争力的小体积、易使用、易实现项目目标,此前早在2016年的一个项目中Revolve团队就曾使用瑞苏盈科ZX5核心板。此外,我们的一些合作公司有使用瑞苏盈科核心板的经验,一些来自这些公司的电子部门的校友收集并提供了使用瑞苏盈科核心板的经验,这对我们非常有益。

 

图3:瑞苏盈科ZX5-15/30核心板

 

开始逆变器和电机控制器的重新设计
2020年的大学生方程式汽车大赛因疫情被取消,同时Revolve团队也发现:受疫情影响很难完成2020年的汽车设计,好的一面是:我们突然发现有额外6个月的时间用于新车型的设计,我们很快着手研究不同的理念——其中一个是完全重新设计逆变器和电机。我们主要关注的是改进系统封装和增加可维护性,减少系统的重量并不是重新设计的主要关注点,但我们很快意识到这方面也有很大的潜力。其主要思路是用核心板替换分立式晶体管,大大提高系统的处理能力,从而创建一个平台,未来我们可以在这个平台上专注于改进控制算法。

 

图4:逆变器组件渲染图


由于ZX5 VCU(Vehicle Control Unit,车辆控制单元)项目在2020年的成功,基于核心板打造电机控制器底板就自然而然成为一个很好的解决方案。我们决定先找一个核心板制造商再找核心板,基于我们过去的经验,很快我们选择了瑞苏盈科的核心板。由于我们重新设计电机控制器的其中一个目标是打造一个可以让我们专注于开发电机控制算法的平台,所以我们想要一款具备强大SoC、同时体积非常小的核心板。最终我们选用了瑞苏盈科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,预计在未来几年里拥有足够的计算能力。

 

图5:瑞苏盈科XU5-2CG/2EG/3EG/4EV/5EV核心板

 

采用核心板的好处
相比基于SoC做整板设计,采用核心板的一个巨大的好处是缩短研发时间,因为最复杂的部分已经被集成到核心板中。例如,采用核心板便无需引出BGA封装的784引脚和复杂的接口(如DDR高速存储)——这需要相当多的时间去打造一个多层PCB。


XU5-4EV核心板的另一个优点是其包含电源。核心板只需要5~12V单电源供电,核心板可以产生所有自身所需电平——包括1.8V、2.5V和3.3V,这些电平也可以为底板上的电路供电,无需额外的电源转换器,大大简化了底板设计。

 

图6:瑞苏盈科XU5核心板结构框图

 

计算能力
我们选择瑞苏盈科XU5-4EV核心板的主要原因之一是处理能力的巨大提升。在我们之前的电机控制器中,大约有4个基于Cortex M7的MCU运行在300MHz,每个MCU控制一个电机,几乎没有剩余的计算时间,这让我们无法增加开关频率、提高性能或转向更复杂的控制系统。升级到XU5-4EV给了我们更多的处理能力——包括4个1.3 GHz的Cortex A53核、2个500 MHz的Cortex R5核、外加一个FPGA——这将满足我们未来几年的计算需求。

 

软件架构
在我们的设计中,我们选择在两个R5核上运行电机控制算法。几个IP核是用VHDL开发的,以运行在XU5-4EV中包含的FPGA上:包括一个PWM外设、不同ADC核和一个看门狗模块(在出现过流等错误时禁用电源级)。


A53核暂时没有被用于我们的设计,我们正在计划未来在A53上运行嵌入式Linux、开发数据记录/配置应用程序和系统调优应用程序,创建一个性能强大且可配置的系统来给系统瘦身和提高性能。

 

开发历程
新型变频器和电机控制器的开发非常迅速:这个系统的概念始于2020年3月;在春末和夏季,我们设计了该系统的原理图和布局;秋季我们全面、彻底地测试了硬件、FPGA、软件和新的动力电子系统——这一切使得我们能够在2020年12月中旬使用全新的发动机。

 

图7:逆变器控制卡,基于瑞苏盈科XU5-4EV核心板,负责控制4个内置永磁同步电机


2021年春季我们开始了电力电子设备的电流处理测试,检查了在模拟加速、AutoX和耐力测试中电力电子设备的发热和散热情况。测试成功后,我们将重心转移到使电机控制算法在弱磁区域工作。在2021年3月10日,我们终于在新的控制卡和电力电子设备的帮助下,使我们的马达转速达到了20kRPM,取得了巨大的突破!此后我们开始致力于使固件能够同时控制4个逆变器/电机而不是1个。遗憾的是该项目在4月份被搁置,因为我们认为在2021年LUNA车型的测试季之前不可能完成该系统,所以我们优先将重点放在电子部门的其他工作上。

 

图8:结构框图


我们正在继续逆变器和电机控制器的开发,希望我们能够在2022赛季之前完成下一代汽车的系统。

 

图9:安装

 


图10:试车