TUfast optimiert Motorsteuerung mit AMD MPSoC Modul
Die Entwicklung elektrischer Antriebsstränge im Motorsport stellt höchste Anforderungen an Leistungselektronik, Regelungstechnik und Systemintegration. Formula‑Student‑Teams müssen innerhalb von nur zwei Universitätssemestern ein komplettes System aus Leistungselektronik, Motorregelung, Sensorik, Software und Fahrzeugkommunikation entwickeln, validieren und in ein konkurrenzfähiges Rennfahrzeug integrieren. Die steigende Leistungsdichte moderner Elektrofahrzeuge, kombiniert mit begrenztem Bauraum und strengen Zuverlässigkeitsanforderungen, macht hochintegrierte FPGA‑/MPSoC‑Plattformen zu einem zentralen Baustein leistungsfähiger Steuerarchitekturen. Das TUfast Formula Student Team der Technischen Universität München (TUM) entwickelte einen neuen Leistungsumrichter mit einem AMD Zynq™ UltraScale+™ Modul von Trenz Electronic.
Herausforderung
Elektrische Rennfahrzeuge nutzen mehrere permanentmagneterregte Synchronmaschinen, die über feldorientierte Regelung (FOC) präzise und hochdynamisch angesteuert werden müssen. Diese Regelungsketten erfordern deterministische Ausführung im hohen Kilohertz‑Bereich, einschließlich Strommessung, Rotorpositionsbestimmung und PWM‑Erzeugung. Bereits geringe zeitliche Abweichungen führen zu Einbußen bei Drehmomentqualität, Effizienz und thermischer Stabilität. Klassische Mikrocontroller geraten hier an Grenzen, da parallele Verarbeitung, hohe Abtastraten und komplexe Encoder‑Protokolle gleichzeitig bedient werden müssen.
Gleichzeitig steigt die Komplexität der Gesamtarchitektur: Fahrzeugkommunikation über CAN, Sicherheitslogik, Diagnosefunktionen und Parametrierung müssen in dieselbe Plattform integriert werden. Die Entwicklungszeit ist strikt begrenzt, und Testmöglichkeiten auf der Rennstrecke sind knapp. Teams benötigen daher Hardware, die harte Echtzeitfähigkeit, flexible Softwareentwicklung und schnelle Iterationszyklen gleichermaßen unterstützt.
Implementierung mit Trenz-Modulen
FPGA‑Module mit integrierten Zynq™ UltraScale+™ MPSoCs ermöglichen eine klare funktionale Trennung zwischen zeitkritischen und nicht‑zeitkritischen Aufgaben. In der programmierbaren Logik werden FOC‑Regelschleifen, SPI‑basierte Strommessung, EnDat‑Encoderkommunikation und PWM‑Generierung vollständig hardwarebeschleunigt ausgeführt. Die deterministische Parallelität des FPGAs erlaubt dabei eine simultane, jitterfreie Ansteuerung mehrerer Motorstränge und erfüllt somit die hohen Anforderungen an Dynamik und Präzision.
Die ARM‑Cortex‑A53‑Kerne im Prozessor System übernehmen übergeordnete Steuerlogik, Fahrzeugkommunikation und Parametrierung. Eine hardwarenahe Implementierung ermöglicht minimale Latenzen, während die Option eines späteren Umstiegs auf Embedded Linux zusätzliche Skalierbarkeit verspricht.
Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich aus dem modellbasierten Entwicklungsworkflow: Regelungsalgorithmen werden in Simulink modelliert und per HDL‑Coder automatisiert in VHDL-Module übersetzt, die direkt in den Entwicklungsfluss integriert werden. Dies reduziert Iterationszeiten erheblich und minimiert Fehler beim Übergang vom Modell zur Hardware. Der kompakte Formfaktor der Module sowie integrierte Spannungsversorgungen vereinfachen das Design des Träger‑Boards und ermöglichen eine platzsparende Integration im Wechselrichter.
Insgesamt bieten die Trenz‑Module eine leistungsstarke, skalierbare und entwicklungsfreundliche Plattform für elektrische Antriebsstränge im Motorsport, ideal für ehrgeizige Teams, die innerhalb kurzer Zeit maximale Performance erreichen möchten.
Empfohlene Produkte
