DIAN Racing Tongji Elektrorennwagen-Team DRe23 Rennwagen
Als weltweit führender Anbieter von FPGA-Lösungen werden die Core-Board-Module von Enclustra nicht nur von zahlreichen Hightech-Unternehmen zur Entwicklung erfolgreicher Produkte genutzt, sondern erfreuen sich auch großer Beliebtheit bei Forschungseinrichtungen und Hochschulen. Zuvor hatten drei erstklassige europäische Studenten-Rennteams Enclustra-Core-Boards ausgewählt und alle erzielten Spitzenleistungen bei Weltklasse-Wettbewerben. Die Tongji-Universität ist eine nationale Schlüsseluniversität, die direkt dem Bildungsministerium untersteht, eine nationale „Double First-Class“-Universität sowie eine Universität des nationalen „Projekts 985“ und „Projekts 211“. Das DIAN Racing Team der Tongji-Universität entschied sich ebenfalls für ein Enclustra-Core-Board und gewann kürzlich mehrere Auszeichnungen beim FSEC 2023.
Einführung in DIAN Racing
DIAN Racing, das Elektrorennwagen-Team der Tongji-Universität, wurde 2013 gegründet. Das Team konstruiert und fertigt jedes Jahr eigenständig einen elektrischen Formelrennwagen und nimmt an nationalen und internationalen Formula-Student-Wettbewerben für Elektrofahrzeuge teil. Das Ziel des Teams ist es, ein Weltklasse-Rennteam aufzubauen, an der FSAE-Wettbewerbsserie teilzunehmen und eine Austauschplattform für die Elektrofahrzeugindustrie zu schaffen. DIAN Racing konzentriert sich auf die Konstruktion und Fertigung von Hochleistungsrennwagen und effizientes Projektmanagement, beteiligt sich aktiv an Formula Student Wettbewerben weltweit und leistet gemeinsam mit der Tongji-Universität und über 80 Unternehmenssponsoren einen Beitrag zur Förderung der Elektromobilität.
Bei dem im letzten Monat zu Ende gegangenen Formula Student Electric China 2023 gewann DIAN Racing die folgenden Auszeichnungen:
Erster Platz im Design Report Erster Platz im Efficiency Test Auszeichnung für herausragende Geschäftspräsentation Dritter Platz im Bereich E-Maschine, Batterie und Elektronik Technologieaustausch Dritter Preis beim MATLAB/Simulink-Anwendungspreis
Einführung in das Rennwagen-Antriebssystem
Vereinfachtes Blockdiagramm des DIAN Racing Rennwagen-Antriebssystems
Das funktionale Blockdiagramm des DIAN Racing Rennwagen-Antriebssystems ist oben dargestellt. Es umfasst:
- Batteriebox: Spannungsversorgung durch einen Lithium-Ionen-Akku mit einer Maximalspannung von nahezu 600 V
- Motoren: Permanentmagnet-Synchronmotoren mit einer Höchstdrehzahl von 20.000 U/min und einer Spitzenleistung von 35 kW, die radnah verbaut sind und über Planetengetriebe die vier Räder unabhängig voneinander antreiben
- Motorwechselrichter: Motorsteuerungseinheit, die gemäß den Befehlen des Fahrzeugsteuergeräts die Motoren mit dem entsprechenden Drehmoment antreibt
- Fahrzeugsteuergerät (VCU): Übernimmt das Fahrzeugmanagement, empfängt Signale verschiedener Fahrzeugsensoren zur dynamischen Regelung, berechnet das optimale Ausgangsdrehmoment für jedes Rad und maximiert so die Fahrdynamik des radindividuell angetriebenen Fahrzeugs
Um eine höhere Gestaltungsfreiheit, einen leichteren Rennwagenbau und eine verbesserte Fahrzeugleistung zu erreichen, widmet sich DIAN Racing seit jeher der Eigenentwicklung des elektrischen Antriebssystems. In dem derzeit laufenden Motorwechselrichterprojekt von DIAN Racing verwendet das Team diskrete SiC-MOSFET-Bauelemente für das Design der Leistungsstufe und der Gate-Treiberplatine des Wechselrichters und setzt einen Mikrocontroller mit einer Taktfrequenz von 200 MHz zur Umsetzung der Motorsteuerungsalgorithmen ein. Der Aufbau und das Funktionsblockdiagramm des Projekts sind unten dargestellt.
Struktur und Blockdiagramm eines einzelnen Motorwechselrichters auf Mikrocontroller-Basis
Da in der aktuellen Lösung insgesamt 4 Motoren vorhanden sind, werden 4 separate Motorsteuerplatinen benötigt, wobei jede Platine für einen Motor zuständig ist. Dies erhöht den Debugging- und Wartungsaufwand. Zudem kann das Team die Regelfrequenz aufgrund der eingeschränkten Rechenleistung des Mikrocontrollers nicht wesentlich erhöhen. Daher wünscht sich das Team eine leistungsstarke Hardware-Plattform zur Erforschung von Motorsteuerungsalgorithmen, die in der Lage ist, die Steuerung mehrerer Motoren eigenständig zu realisieren, die Systemstruktur zu vereinfachen, ausreichend Möglichkeiten für zukünftige Erweiterungen bietet und idealerweise auch komfortables Online-Debugging, die Anzeige und Aufzeichnung großer Datenmengen ermöglicht. Daher richtete DIAN Racing seinen Fokus vom Mikrocontroller auf FPGA-SoC-Prozessoren mit integrierten ARM-Kernen, in der Hoffnung, die starke Leistung und die flexiblen Einsatzmöglichkeiten solcher Prozessoren zu nutzen, um noch bessere Rennwagen zu bauen.
Mercury XU5 Core Board
Nach der Recherche und Analyse von Fallbeispielen internationaler Spitzenteams stieß DIAN Racing auf die FPGA-SoC-Core-Boards und Entwicklungskits von Enclustra. DIAN Racing kann diese äußerst kompakten Core-Board-Produkte auf einfache Weise in die Systeme des Teams integrieren, um eine schnelle Prototypenentwicklung durchzuführen, ohne sich um das komplexe periphere Schaltungsdesign des FPGA-SoC sorgen zu müssen. Basierend auf dem von Enclustra für DIAN Racing bereitgestellten Core-Board-Entwicklungskit nahm eine nachhaltige Entwicklungsplattform, die in den kommenden Jahren hauptsächlich genutzt werden soll, in den Köpfen von DIAN Racing Gestalt an.
Rendering des Motorwechselrichters basierend auf dem Mercury XU5 Core Board
Wie in der Abbildung oben gezeigt, hat DIAN Racing eine 4-in-1-Motorcontroller-Platine entworfen, die die zuvor identischen Funktionsschaltkreise der vier separaten Steuerplatinen zusammenführt. Auf der Steuerplatine wird das Mercury XU5-5EV SoM von Enclustra als zentrale Verarbeitungsplattform eingesetzt, um gleichzeitig die Steuerung von vier Motoren zu realisieren.
Entwicklungskit Enclustra Mercury XU5 Core Board + ST1 Base Board
Der auf diesem Core Board verbaute Prozessor enthält auf der PS-Seite vier ARM A53-Kerne als Applikationsprozessoren, auf denen das Betriebssystem Petalinux ausgeführt werden kann. Zudem verfügt er über zwei 600-MHz-ARM-R5-Echtzeitkerne sowie umfangreiche PL-Ressourcen. DIAN Racing kann die All-in-One-Eigenschaft nutzen, um für jeden Teil der Software die geeignete Recheneinheit auszuwählen. Unter Berücksichtigung des angesammelten Wissens- und Erfahrungsstands kann DIAN Racing in der Anfangsphase einen einfacheren und vertrauteren Softwareansatz wählen und diesen kontinuierlich weiterentwickeln.
In der Anfangsphase wird DIAN Racing beispielsweise GPIO, PWM-Module, die Schnittstelle zum Motorresolver, die Stromsensor-Schnittstelle und einen schnellen Fehlerschutz im PL-Teil implementieren. Durch die Nutzung des PL-Teils kann DIAN Racing bequem mehrkanalige sinc-Digitalfilter integrieren und mithilfe von Sigma-Delta-ADCs eine hochwertige Analog-Digital-Signalwandlung realisieren. Der Algorithmus der feldorientierten Regelung (Vektorregelung) wird den Echtzeitkernen R5 auf der PS-Seite übertragen, wobei jeder R5-Echtzeitkern für die Steuerung von zwei Motoren zuständig ist. Auf den A53-Kernen läuft das Betriebssystem Petalinux, das verwendet wird, um verschiedene Zwischensignale aus dem Motorsteuerungsalgorithmus zu sammeln und über Gigabit-Ethernet an einen PC-Host zu senden. Dies ermöglicht eine komfortable Echtzeitüberwachung während des Debuggings und gleichzeitig die Datenaufzeichnung des Motorcontroller-Betriebs.
Nach der Ansammlung von Wissen und Erfahrung wird DIAN Racing auch die Stromregelschleife der Motorsteuerung in den PL-Teil verlagern. Durch die parallele Rechenleistung des PL-Teils wird erwartet, dass die Schaltfrequenz von derzeit 16 kHz (bei der Lösung mit separaten Mikrocontroller-Platinen) auf 30 kHz oder noch höher gesteigert werden kann. Ein R5-Echtzeitkern wird für die Zustandsmaschine der Motorsteuerung, Fehlererkennung, den Empfang von Steuerbefehlen und die Statusrückmeldung verwendet und kommuniziert über den CAN-Bus mit dem Fahrzeugsteuergerät (VCU). Es ist sogar möglich, auf dem verbleibenden anderen R5-Echtzeitkern das Fahrzeugsteuergerät zu implementieren und so die Fahrzeugsteuerungsarchitektur weiter zu vereinfachen. Gleichzeitig wird das auf den A53-Kernen der PS-Seite laufende Linux-Betriebssystem zur ganzheitlichen Fahrzeugdatenverarbeitung und -aufzeichnung genutzt und kann über die Ethernet-Schnittstelle zur Funkkommunikation und -weiterleitung verwendet werden, was die Effizienz der Testanalyse erhöht. Das letztendlich angestrebte Software-Blockdiagramm ist unten dargestellt:
Software-Blockdiagramm des Motorwechselrichters basierend auf dem Mercury XU5 Core Board
Derzeit arbeitet das DIAN Racing Team an der Konstruktion des Rennwagens für die neue Saison und wird dieses auf dem Enclustra XU5 Core Board basierende System detaillierter entwickeln, testen und validieren. Wir danken DIAN Racing für das Vertrauen und die Entscheidung für Enclustra und hoffen, dass dieses System DIAN Racing zu leistungsstärkeren Rennwagen verhilft, eine Wissensplattform für die Teammitglieder darstellt und DIAN Racing bei seinem Bestreben, ein Spitzenteam aufzubauen, unterstützt.
Wir gratulieren DIAN Racing zu diesen beeindruckenden Erfolgen und wünschen DIAN Racing, dass es auf Basis der Enclustra-Produkte noch erfolgreichere Rennwagen entwickelt! Wir wünschen DIAN Racing auch für die Zukunft, dass es auf der Weltbühne noch heller erstrahlen möge!
Enclustra
Enclustra (瑞苏盈科) ist eines der weltweit führenden Unternehmen im FPGA-Bereich und wurde 2004 in Zürich, Schweiz, gegründet. Derzeit bedienen Mitarbeiter aus 29 Ländern über 1.700 Geschäftskunden in mehr als 70 Ländern weltweit. Die Erfolgsbeispiele erstrecken sich über Bereiche wie Medizintechnik, Kommunikation, Machine Vision, Bildverarbeitung, Luft- und Raumfahrt, Industrieautomation, Test & Measurement und Motion Control. Enclustra unterstützt Kunden dabei, die Markteinführungszeit zu verkürzen, Projektkosten und -risiken zu senken und eine stärkere Wettbewerbsfähigkeit in der Branche zu erreichen.
Quelle｜Enclustra 瑞苏盈科 Verantwortlicher Redakteur｜Zentrum für Medienkonvergenz der Automobilstudien der Tongji-Universität, Li Yueting Genehmigung｜Shi Jingyuan, Liu Zhao