DIAN Racing同済電動フォーミュラチーム DRe23マシン
世界的にリードするFPGAソリューションプロバイダであるEnclustraのコアボードモジュールは、多くのハイテク企業の成功する製品開発を支援するだけでなく、研究機関や大学からも高く評価されています。これまでに、ヨーロッパの3つの世界トップレベルの大学生レーシングチームがEnclustraのコアボードを採用し、世界最高峰の大会で優秀な成績を収めてきました。同済大学は中国教育部直属の国家重点大学であり、国家「双一流」建設大学、国家「985プロジェクト」「211プロジェクト」建設大学でもあります。同済大学のDIAN RacingチームもまたEnclustraのコアボードを選択し、最近開催されたFSEC 2023大会において複数のタイトルを獲得しました。
DIAN Racingについて
DIAN Racing（中国語名：同済電動フォーミュラチーム）は、2013年に設立された同済大学の学生による電動フォーミュラレーシングチームです。チームは毎年、学生電動フォーミュラカーを1台独自に設計・製造し、中国および国際的な大学生フォーミュラEシリーズ大会に出場しています。チームの理念は、世界一流のレーシングチームを構築し、FSAEシリーズ大会に参加し、新エネルギー車産業の交流プラットフォームを構築することです。DIAN Racingは、高水準のレーシングカー設計・製造と効率的なプロジェクトマネジメントに注力し、世界の大学生フォーミュラ大会に積極的に参加し、同済大学および80社以上の企業スポンサーと共に、新エネルギーの概念普及に貢献しています。
先月終了した2023年中国大学生電動フォーミュラ大会（FSEC）において、DIAN Racing同済電動フォーミュラチームが獲得した賞は以下の通りです：
デザインレポート 1位 効率テスト 1位 優秀ビジネスプラン賞 三電技術共有 3位 MATLAB/Simulink応用賞 三等賞
レーシングカー駆動システムの紹介
DIAN Racing レーシングカー駆動システムの概略ブロック図
DIAN Racingのレーシングカー駆動システムの機能ブロック図は上記の通りで、その内訳は以下の通りです：
- バッテリーボックス：電源供給、最大電圧600V近くのリチウムイオンバッテリー
- モータ：最高回転数20,000 RPM、ピーク出力35kWの永久磁石同期モータ。ホイール脇に搭載され、遊星ギア減速機と組み合わせて四輪独立駆動
- モータインバータ：モータ駆動ユニット。車両コントローラの指令に従いモータを駆動し、対応するトルクを出力
- 車両コントローラ (VCU)：車両管理を実行。車両の各種センサー信号を受信して動的制御を行い、各車輪に最適な出力トルクを計算し、四輪独立駆動の車両動的性能を最大化
より高いレーシングカーの設計自由度と軽量化レベルを実現し、レーシングカーの性能を向上させるため、DIAN Racingは電動駆動システムの独自開発に長年取り組んできました。DIAN Racingが現在進行中のモータインバータプロジェクトでは、ディスクリートSiC MOSFET素子を用いてインバータのパワー段とゲート駆動基板を設計し、動作周波数200MHzのマイクロコントローラを使用してモータ制御アルゴリズムを実装しています。プロジェクトの構造と機能ブロック図は以下の通りです。
マイクロコントローラベースの単一モータインバータの構造と機能ブロック図
現在の計画では、合計4つのモータがあるため、4枚の独立したモータ制御基板が必要となり、各制御基板が1つのモータを担当するため、デバッグとメンテナンスの作業量が増加します。同時に、マイクロコントローラの演算性能の制限により、チームは制御周波数を大幅に向上させることができません。そのため、チームは、複数のモータの駆動制御を単独で実現し、システム構造を簡素化し、将来の拡張に十分な能力を持ち、できれば便利なオンラインデバッグ、大量データの表示と記録を実現できる、モータ制御アルゴリズムソフトウェア研究のための強力なハードウェアプラットフォームを望んでいました。そこでDIAN Racingは、マイクロコントローラからARMコアを統合したFPGA SoCプロセッサに目を向けました。この種のプロセッサの強力な性能と柔軟な応用シナリオを活用し、チームがより良いレーシングカーを製造するのに役立てたいと考えています。
Mercury XU5コアボード
国際的なトップチームの事例研究と資料収集を行った後、DIAN Racingは瑞蘇盈科のFPGA SoCコアボードと開発キットを見つけました。DIAN Racingは、複雑なFPGA SoC周辺回路設計を気にすることなく、これらの小型のコアボード製品をチームのシステムに簡単に統合し、迅速なプロトタイプ開発を行うことができます。瑞蘇盈科がDIAN Racingに提供したコアボード開発キットに基づき、今後数年間主に使用する持続可能な開発プラットフォームが、DIAN Racingの構想の中で徐々に具体化してきました。
Mercury XU5コアボードに基づくモータインバータのレンダリング画像
上の図に示すように、DIAN Racingは4in1モータコントローラボードを設計しました。これは、以前の4枚の個別制御基板で同じ機能を持つ回路を統合し、制御基板に瑞蘇盈科のMercury XU5-5EV SoMをコア処理プラットフォームとして使用し、4つのモータの駆動制御を同時に実現します。
瑞蘇盈科 Mercury XU5コアボード + ST1ベースボード開発キット
このコアボードに搭載されたプロセッサのPS部には、アプリケーションプロセッサとしてPetalinuxオペレーティングシステムを実行できる4つのARM A53コアが含まれています。2つの600MHzのARM R5リアルタイムコアと、大容量のPL部があります。DIAN Racingは、その多機能統合特性を活用して、ソフトウェアの各部分に適切な処理ユニットを選択できます。関連知識と使用経験の蓄積度合いを考慮し、DIAN Racingは初期段階では比較的シンプルで馴染みのあるソフトウェアソリューションを選択し、その後継続的に向上させることができます。
例えば初期段階では、DIAN RacingはPL部でGPIO、PWMモジュール、モータレゾルバインターフェース、電流センサーインターフェース、および高速故障保護を実装します。PL部を利用することで、DIAN Racingは複数のsincデジタルフィルタを容易に統合し、Σ-Δ型ADCを使用して高品質なアナログ-デジタル信号変換を実現できます。モータのベクトル制御アルゴリズムはPS部のR5リアルタイムコアに実装し、各R5リアルタイムコアが2つのモータ制御を担当します。A53コアではPetalinuxオペレーティングシステムを実行し、モータ制御アルゴリズムプログラム内の様々な中間信号を収集し、ギガビットイーサネット経由でPC上位コンピュータに送信することで、デバッグ中のリアルタイム監視を容易にし、同時にモータコントローラの動作状況のデータ記録も行います。
一定の知識と経験を蓄積した後、DIAN Racingはモータ制御の電流ループもPL部に移行します。PL部の並列計算能力により、スイッチング周波数を現在のマイクロコントローラ個別制御基板方式の16kHzから30kHz以上に向上させることが期待されます。1つのR5リアルタイムコアをモータ制御のステートマシン、故障検出、制御コマンド受信、ステータスフィードバックに使用し、CANバス経由で車両コントローラVCUと通信します。さらに、残りのもう1つのR5リアルタイムコアで車両コントローラを実装し、レーシングカーのコントローラアーキテクチャをさらに簡素化することも可能です。また、PS部のA53コアで動作するLinuxオペレーティングシステムを利用して車両全体のデータ処理と記録を行い、イーサネットインターフェース経由で無線通信転送を行い、テスト走行分析の効率を向上させます。最終的に実現を期待するソフトウェアブロック図は以下の通りです：
Mercury XU5コアボードに基づくモータインバータのソフトウェアブロック図
現在、同済電動フォーミュラチームは新シーズンのレーシングカーの設計作業を進めており、この瑞蘇盈科XU5コアボードに基づくシステムについて、より詳細な開発とテスト検証を行っていきます。瑞蘇盈科への信頼と選択に感謝するとともに、このシステムがDIAN Racingにより高性能なレーシングカーをもたらし、隊員の知識向上のためのプラットフォームとなり、DIAN Racingが一流チームを構築するための力となることを願っています。
DIAN Racingのこのような目覚ましい成績を祝福するとともに、瑞蘇盈科の製品に基づいてDIAN Racingがさらに成功したレーシングカーを製作することを願っています！そして、DIAN Racingが将来、世界の舞台でさらに輝かしい光を放つことを祈念します！
瑞蘇盈科
瑞蘇盈科(Enclustra)はFPGA分野における世界トップクラスの企業の一つで、2004年にスイスのチューリッヒに設立されました。現在、29カ国からの従業員が世界70カ国以上、1700以上の企業クライアントにサービスを提供しています。その成功事例は、医療、通信、マシンビジョン、画像処理、航空宇宙、産業用制御、テストと測定、モーションコントロールなどの分野をカバーしており、クライアントの市場投入までの時間を早め、プロジェクトのコストとリスクを低減し、より強い業界競争力を備えることを支援しています。
出典｜Enclustra 瑞蘇盈科 責任編集｜同済汽車融媒體中心 李悦婷 審査｜史静遠 劉昭