DIAN Racing同濟電車隊 DRe23賽車
作為全球領先的FPGA解決方案提供商，Enclustra的核心板模組除了幫助眾多高科技公司打造出成功的產品之外，也備受科研機構、各大高校的青睞。此前，歐洲三支世界一流的大學生賽車團隊選擇了Enclustra的核心板，他們均在世界頂級賽事中獲得了佳績。同濟大學是教育部直屬的全國重點大學、國家「雙一流」建設高校、國家「985工程」和「211工程」建設高校，來自同濟大學的DIAN Racing車隊同樣選擇了Enclustra的核心板並於近期舉辦的FSEC 2023賽事上獲得多項大獎。
DIAN Racing簡介
DIAN Racing車隊，中文名稱為同濟電車隊，成立於2013年，是同濟大學大學生電動方程式賽車車隊，車隊每年自主設計並製造一輛大學生電動方程式賽車，並參加中國以及國際上的大學生電動方程式系列賽事。車隊的宗旨是打造世界一流的賽車團隊，參加FSAE系列賽事，打造新能源汽車產業交流平台。DIAN Racing將關注於高規格賽車設計製造和高效的專案管理，積極參與世界大學生方程式汽車大賽，與同濟大學及80餘家企業贊助商為新能源理念的推廣貢獻一份力量。
在上個月結束的2023年中國大學生電動方程式大賽，DIAN Racing同濟電車隊取得的獎項有：
設計報告第一名 效率測試第一名 優秀商業方案獎 三電技術分享第三名 MATLAB/Simulink應用獎三等獎
賽車動力系統介紹
DIAN Racing賽車動力系統簡要框圖
DIAN Racing賽車動力系統的功能框圖如上所示，其中：
- 電池箱：電源供應，最高電壓接近600V的鋰離子電池
- 電機：最高轉速為20,000 RPM，峰值功率為35kW的永磁同步電機，安裝在車輪邊上，搭配行星齒輪減速器，四輪獨立驅動
- 電機逆變器：電機驅動單元，根據整車控制器的命令驅動電機輸出相應的轉矩
- 整車控制器（VCU）：進行車輛管理，接收車輛各種傳感器信號進行動態控制，為每個車輪計算最合適的輸出轉矩，最大化四輪獨立驅動的車輛動態性能
為了實現更高的賽車設計自由度和輕量化水平，提升賽車的性能，DIAN Racing一直以來致力於電驅動系統的自主研發。在DIAN Racing目前正在進行中的電機逆變器項目中，DIAN Racing使用了分立式的SiC MOSFET元件設計逆變器的功率級和柵極驅動板，並使用一個主頻為200MHz的單片機實現電機控制的算法。該項目的結構和功能框圖如下所示。
基於單片機的單個電機逆變器結構及功能框圖
在目前的方案中，由於一共有4個電機，為此需要4塊獨立的電機控制板，每個控制板負責一個電機，這增加了調試和維護的工作量。同時，由於單片機運算性能的限制，車隊無法對控制頻率進行較大的提升。為此，車隊希望能擁有一個研究電機控制算法軟體的強大硬體平台，能夠獨自實現多個電機的驅動控制，精簡系統結構，並有充足的在未來進行拓展的能力，最好還能實現方便的在線調試、查看和記錄大量數據。於是DIAN Racing把目光從單片機轉向了集成ARM核的FPGA SoC處理器，希望運用此類處理器強大的性能、靈活的應用場景幫助車隊製造更好的賽車。
水星Mercury XU5核心板
在研究分析國際頂尖車隊案例和進行資料蒐集之後，DIAN Racing找到了來自瑞蘇盈科的FPGA SoC核心板和開發套件。DIAN Racing可以很方便地將這些體型小巧的核心板產品整合到車隊的系統之中，進行快速的原型開發，而不用擔心複雜的FPGA SoC外圍電路設計。基於瑞蘇盈科為DIAN Racing提供的核心板開發套件，一個未來幾年裡主要使用的可持續開發平台逐漸在DIAN Racing腦海裡浮現。
基於Mercury XU5核心板的電機逆變器渲染圖
如上圖所示，DIAN Racing設計了一塊4合一電機控制器板，整合了原先4個單獨控制板中相同功能的電路，並在控制板中使用瑞蘇盈科的Mercury XU5-5EV SoM作為核心處理平台，同時實現4個電機的驅動控制。
瑞蘇盈科Mercury XU5核心板+ST1底板開發套件
這款核心板上搭載的處理器PS端含有4個ARM A53內核作為應用處理器，可以運行Petalinux操作系統。有2個600MHz的ARM R5實時內核，以及大容量的PL端。DIAN Racing可以利用它多合一的特性，為軟體每個部分選擇合適的處理單元。考慮到相關知識和使用經驗的積累程度，DIAN Racing可以在初期選擇較為簡單熟悉的軟體方案，並在之後進行不斷地提升。
比如在初期階段，DIAN Racing將在PL端實現GPIO，PWM模組，電機旋轉變壓器的接口，電流傳感器接口和快速的故障保護。其中利用PL端，DIAN Racing可以很方便地整合多路sinc數字濾波器，使用Σ-Δ型ADC實現高質量的模-數信號轉換。將電機向量控制算法交由PS端的R5實時內核實現，每個R5實時內核負責兩個電機控制。在A53內核中運行Petalinux操作系統，用於蒐集電機控制算法程序中的各種中間信號，通過千兆以太網發送給PC上位機，方便在調試的過程中進行實時監測，同時也對電機控制器的運行情況做數據記錄。
在積累一定的知識和經驗之後，DIAN Racing將把電機控制的電流環也遷移到PL端，藉由PL端的並行計算能力有望將開關頻率從目前單片機獨立控制板方案的16kHz提升到30kHz甚至更高。使用一個R5實時內核做電機控制的狀態機、故障檢測、控制命令接收和狀態反饋，並通過CAN總線與整車控制器VCU通訊。甚至還可以在剩下的另一個R5實時內核實現整車控制器，進一步簡化賽車控制器架構。同時也利用PS端A53內核運行的Linux操作系統對整車進行數據處理、記錄，並通過以太網接口進行無線通訊轉發，提高試車分析效率。最終期望實現的軟體框圖如下所示：
基於Mercury XU5核心板的電機逆變器軟體框圖
目前同濟電車隊正在進行新賽季賽車的設計工作，將會對這一套基於瑞蘇盈科XU5核心板的系統進行更細緻的開發和測試驗證。感謝DIAN Racing對瑞蘇盈科的信賴和選擇，希望這套系統能為DIAN Racing帶來性能更強的賽車，成為隊員們增長知識的平台，為DIAN Racing努力打造一流車隊助力。
我們祝賀DIAN Racing取得如此驕人的成績，祝願DIAN Racing能基於瑞蘇盈科的產品打造出更成功的賽車！同時也祝願DIAN Racing未來在世界舞台上綻放出更閃耀的光彩！
瑞蘇盈科
瑞蘇盈科(Enclustra)是FPGA領域全球一流的公司之一，2004年成立於瑞士蘇黎世，目前有來自29個國家的員工服務位於全球70+國家的1700+企業客戶，其成功案例覆蓋醫療、通信、機器視覺、圖像處理、航空航天、工業控制、測試與測量、運動控制等領域，助力客戶加速上市時間、降低項目成本和風險，具備更強的行業競爭力。
來源｜Enclustra 瑞蘇盈科 責編｜同濟汽車融媒體中心 李悅婷 審定｜史靜遠 劉昭