文章作者：Eskil Aaning Mogstad，担任挪威科技大学Revolve团队的逆变器开发，已授权Enclustra瑞苏盈科运用及发布本文。
图1：LUNA
大学生方程式轿车大赛（Formula Student）是全球最大的大学生工程师比赛，有来自全球大约1000所大学的团队参与。来自挪威科技大学的Revolve团队成立于2010年，现已打造了9辆方程式赛车，其间包含5辆四驱电动车。
图2：LUNA在车库中
Revolve动力体系
现在Revolve团队选用的动力体系装备了一个锂电池蓄能器，可以在600V直流下供给高达80kW的推动功率，4个内部永磁同步电机（每个轮子装备一个）由4个自主研制的逆变器驱动。
逆变器担任将蓄电池上的直流电流转换成变幅、变频的三相沟通电供永磁同步电机运用。电力电子开关可将直流转换成沟通，在本项目中SiC MOSFET晶体管额定电压为1200V、电流处理才能超越100A。电机本身运用磁场定向操控，它是一种矢量操控办法，运用电流、电压和方位反应来核算占空比然后操控逆变器。
选用中心板
在2020赛季，Revolve团队决议抛弃根据SoC打造车辆操控单元，转而选用Enclustra瑞苏盈科ZX5 7015/30中心板（System on module， SoM）。这大大降低了底板的杂乱度，从8层板降低到4层板，而且去掉了SoC所需的大部分外围电路。咱们挑选瑞苏盈科ZX5中心板首要是它极具竞争力的小体积、易运用、易完结项目方针，此前早在2016年的一个项目中Revolve团队就曾运用瑞苏盈科ZX5中心板。此外，咱们的一些协作公司有运用瑞苏盈科中心板的经历，一些来自这些公司的电子部分的校友搜集并供给了运用瑞苏盈科中心板的经历，这对咱们十分有利。
图3：瑞苏盈科ZX5-15/30中心板
开端逆变器和电机操控器的从头规划
2020年的大学生方程式轿车大赛因疫情被撤销，一起Revolve团队也发现：受疫情影响很难完结2020年的轿车规划，好的一面是：咱们忽然发现有额定6个月的时刻用于新车型的规划，咱们很快着手研讨不同的理念——其间一个是彻底从头规划逆变器和电机。咱们首要重视的是改善体系封装和添加可维护性，削减体系的分量并不是从头规划的首要重视点，但咱们很快意识到这方面也有很大的潜力。其首要思路是用中心板替换分立式晶体管，大大进步体系的处理才能，然后创立一个渠道，未来咱们可以在这个渠道上专心于改善操控算法。
图4：逆变器组件烘托图
由于ZX5 VCU（Vehicle Control Unit，车辆操控单元）项目在2020年的成功，根据中心板打造电机操控器底板就自然而然成为一个很好的解决方案。咱们决议先找一个中心板制造商再找中心板，根据咱们曩昔的经历，很快咱们挑选了瑞苏盈科的中心板。由于咱们从头规划电机操控器的其间一个方针是打造一个可以让咱们专心于开发电机操控算法的渠道，所以咱们想要一款具有强壮SoC、一起体积十分小的中心板。终究咱们选用了瑞苏盈科XU5-4EV中心板——根据Zynq UltraScale+ MPSoC，比较根据Zynq 7000的ZX5在功能上有巨大进步，估计在未来几年里具有满意的核算才能。
图5：瑞苏盈科XU5-2CG/2EG/3EG/4EV/5EV中心板
选用中心板的长处
比较根据SoC做整板规划，选用中心板的一个巨大的长处是缩短研制时刻，由于最杂乱的部分现已被集成到中心板中。例如，选用中心板便无需引出BGA封装的784引脚和杂乱的接口（如DDR高速存储）——这需求相当多的时刻去打造一个多层PCB。
XU5-4EV中心板的另一个长处是其包含电源。中心板只需求5~12V单电源供电，中心板可以发生一切本身所需电平——包含1.8V、2.5V和3.3V，这些电平也可以为底板上的电路供电，无需额定的电源转换器，大大简化了底板规划。
图6：瑞苏盈科XU5中心板结构框图
核算才能
咱们挑选瑞苏盈科XU5-4EV中心板的首要原因之一是处理才能的巨大进步。在咱们之前的电机操控器中，大约有4个根据Cortex M7的MCU运转在300MHz，每个MCU操控一个电机，几乎没有剩下的核算时刻，这让咱们无法添加开关频率、进步功能或转向更杂乱的操控体系。升级到XU5-4EV给了咱们更多的处理才能——包含4个1.3 GHz的Cortex A53核、2个500 MHz的Cortex R5核、外加一个FPGA——这将满意咱们未来几年的核算需求。
软件架构
在咱们的规划中，咱们挑选在两个R5核上运转电机操控算法。几个IP核是用VHDL开发的，以运转在XU5-4EV中包含的FPGA上：包含一个PWM外设、不同ADC核和一个看门狗模块（在呈现过流等错误时禁用电源级）。
A53核暂时没有被用于咱们的规划，咱们正在方案未来在A53上运转嵌入式Linux、开发数据记载/装备应用程序和体系调优应用程序，创立一个功能强壮且可装备的体系来给体系减肥和进步功能。
开发进程
新式变频器和电机操控器的开发十分敏捷：这个体系的概念始于2020年3月；在春末和夏日，咱们规划了该体系的原理图和布局；秋季咱们全面、彻底地测验了硬件、FPGA、软件和新的动力电子体系——这一切使得咱们可以在2020年12月中旬运用全新的发动机。
图7：逆变器操控卡，根据瑞苏盈科XU5-4EV中心板，担任操控4个内置永磁同步电机
2021年春季咱们开端了电力电子设备的电流处理测验，查看了在模仿加快、AutoX和耐力测验中电力电子设备的发热和散热状况。测验成功后，咱们将重心转移到使电机操控算法在弱磁区域作业。在2021年3月10日，咱们总算在新的操控卡和电力电子设备的协助下，使咱们的马达转速达到了20kRPM，取得了巨大的打破！尔后咱们开端致力于使固件可以一起操控4个逆变器/电机而不是1个。惋惜的是该项目在4月份被放置，由于咱们以为在2021年LUNA车型的测验季之前不可能完结该体系，所以咱们优先将要点放在电子部分的其他作业上。
图8：结构框图
咱们正在持续逆变器和电机操控器的开发，期望咱们可以在2022赛季之前完结下一代轿车的体系。
图9：装置
图10：试车
