文章作者：Eskil Aaning Mogstad，負(fù)責(zé)挪威科技大學(xué)Revolve團(tuán)隊(duì)的逆變器開(kāi)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(jìng)賽，有來(lái)自全球大約1000所大學(xué)的團(tuán)隊(duì)參加。來(lái)自挪威科技大學(xué)的Revolve團(tuán)隊(duì)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(dòng)車。

圖2：LUNA在車庫(kù)中

Revolve動(dòng)力系統(tǒng)

目前Revolve團(tuán)隊(duì)采用的動(dòng)力系統(tǒng)配備了一個(gè)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(gè)內(nèi)部永磁同步電機(jī)（每個(gè)輪子配備一個(gè)）由4個(gè)自主研發(fā)的逆變器驅(qū)動(dòng)。

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(kāi)關(guān)可將直流轉(zhuǎn)換成交流，在本項(xiàng)目中SiC MOSFET晶體管額定電壓為1200V、電流處理能力超過(guò)100A。電機(jī)本身使用磁場(chǎng)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(lái)計(jì)算占空比從而控制逆變器。

采用核心板

在2020賽季，Revolve團(tuán)隊(duì)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(jìng)爭(zhēng)力的小體積、易使用、易實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)，此前早在2016年的一個(gè)項(xiàng)目中Revolve團(tuán)隊(duì)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(yàn)，一些來(lái)自這些公司的電子部門(mén)的校友收集并提供了使用瑞蘇盈科核心板的經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)我們非常有益。

圖3：瑞蘇盈科ZX5-15/30核心板

開(kāi)始逆變器和電機(jī)控制器的重新設(shè)計(jì)

2020年的大學(xué)生方程式汽車大賽因疫情被取消，同時(shí)Revolve團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)：受疫情影響很難完成2020年的汽車設(shè)計(jì)，好的一面是：我們突然發(fā)現(xiàn)有額外6個(gè)月的時(shí)間用于新車型的設(shè)計(jì)，我們很快著手研究不同的理念——其中一個(gè)是完全重新設(shè)計(jì)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(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)，但我們很快意識(shí)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(gè)平臺(tái)，未來(lái)我們可以在這個(gè)平臺(tái)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(xiàng)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(gè)很好的解決方案。我們決定先找一個(gè)核心板制造商再找核心板，基于我們過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，很快我們選擇了瑞蘇盈科的核心板。由于我們重新設(shè)計(jì)電機(jī)控制器的其中一個(gè)目標(biāo)是打造一個(gè)可以讓我們專注于開(kāi)發(fā)電機(jī)控制算法的平臺(tái)，所以我們想要一款具備強(qiáng)大SoC、同時(shí)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(jì)在未來(lái)幾年里擁有足夠的計(jì)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(jì)，采用核心板的一個(gè)巨大的好處是縮短研發(fā)時(shí)間，因?yàn)樽顝?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(wú)需引出BGA封裝的784引腳和復(fù)雜的接口（如DDR高速存儲(chǔ)）——這需要相當(dāng)多的時(shí)間去打造一個(gè)多層PCB。

XU5-4EV核心板的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(wú)需額外的電源轉(zhuǎn)換器，大大簡(jiǎn)化了底板設(shè)計(jì)。

圖6：瑞蘇盈科XU5核心板結(jié)構(gòu)框圖

計(jì)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(gè)基于Cortex M7的MCU運(yùn)行在300MHz，每個(gè)MCU控制一個(gè)電機(jī)，幾乎沒(méi)有剩余的計(jì)算時(shí)間，這讓我們無(wú)法增加開(kāi)關(guān)頻率、提高性能或轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。升級(jí)到XU5-4EV給了我們更多的處理能力——包括4個(gè)1.3 GHz的Cortex A53核、2個(gè)500 MHz的Cortex R5核、外加一個(gè)FPGA——這將滿足我們未來(lái)幾年的計(jì)算需求。

軟件架構(gòu)

在我們的設(shè)計(jì)中，我們選擇在兩個(gè)R5核上運(yùn)行電機(jī)控制算法。幾個(gè)IP核是用VHDL開(kāi)發(fā)的，以運(yùn)行在XU5-4EV中包含的FPGA上：包括一個(gè)PWM外設(shè)、不同ADC核和一個(gè)看門(mén)狗模塊(在出現(xiàn)過(guò)流等錯(cuò)誤時(shí)禁用電源級(jí))。

A53核暫時(shí)沒(méi)有被用于我們的設(shè)計(jì)，我們正在計(jì)劃未來(lái)在A53上運(yùn)行嵌入式Linux、開(kāi)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(gè)性能強(qiáng)大且可配置的系統(tǒng)來(lái)給系統(tǒng)瘦身和提高性能。

開(kāi)發(fā)歷程

新型變頻器和電機(jī)控制器的開(kāi)發(fā)非常迅速：這個(gè)系統(tǒng)的概念始于2020年3月；在春末和夏季，我們?cè)O(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的原理圖和布局；秋季我們?nèi)?、徹底地測(cè)試了硬件、FPGA、軟件和新的動(dòng)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(dòng)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(gè)內(nèi)置永磁同步電機(jī)

2021年春季我們開(kāi)始了電力電子設(shè)備的電流處理測(cè)試，檢查了在模擬加速、AutoX和耐力測(cè)試中電力電子設(shè)備的發(fā)熱和散熱情況。測(cè)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(kāi)始致力于使固件能夠同時(shí)控制4個(gè)逆變器/電機(jī)而不是1個(gè)。遺憾的是該項(xiàng)目在4月份被擱置，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為在2021年LUNA車型的測(cè)試季之前不可能完成該系統(tǒng)，所以我們優(yōu)先將重點(diǎn)放在電子部門(mén)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(kāi)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(shí)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(jì)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(guó)家服務(wù)1600+客戶。2019年正式進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，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(duì)，為中國(guó)客戶帶來(lái)更好的本土化支持與服務(wù)。