新能源车多合一主控MCU市场基本上被德州仪器和英飞凌把持，德州仪器主要是C2000系列，虽已是二十多年的DSP，但至今长盛不衰，特别是起步比较早的新能源厂家，对C2000系列依赖程度较高。德州仪器最聪明的地方是大量资助高校，在中国至少有上百家高校得到德州仪器资助，教材和讲课用的开发板都是德州仪器C2000系列，学生们对C2000系列非常熟悉，非常容易上手。同时基于哈佛架构的DSP虽然运行频率低，但还是比ARM早期运行频率更高的冯诺依曼架构性能更强。典型用户即特斯拉和比亚迪，特斯拉使用TMS320F28377DPTPQ，比亚迪的八合一电驱动使用TMS320F283790。

比亚迪八合一智能集成驱动用于其中高端车型上，如海狮、海豚。8合1动力总成包括BMS（电池管理系统）、VCU（车辆控制单元）、逆变器、PDU（电源分配单元）、OBC-DC/DC合并为一个单元，以及变速箱/电机。比亚迪后来也有十二合一的产品。

　　吉利银河上的星驱科技L401 OD模块

　　图源：星驱科技B站官方视频《银河E5心脏大揭秘》

　　吉利银河上的星驱科技L401 OD模块如上图，星驱科技L401首次将电机控制器、OBC、DCDC、PDU、VCU、HBMS、LBMS、TMS、GWRC（智能防滑控制）和EVCC（通讯协议模块）全部集成在一个控制器系统中。除OBC和DCDC外，PDU、VCU、HBMS、LBMS、TMS、GWRC的控制均集成在一块主控板上，并仅使用一颗MCU来控制所有部件。即所有控制算法都运行在同一MCU上。MCU使用了英飞凌TC397顶级MCU。

　　吉利代表了新兴造车领域的选择，那就是英飞凌的TC387或TC397。当然新兴造车里也有异类，比如一向紧跟特斯拉的小鹏以及北汽就选择TMS320F28355。德州仪器的C2000系列除了老工程师好上手外，还有一个优点是价格低，一般在12-14美元左右，TC387/TC397则在32-36美元左右，价格远高于德州仪器。选择德州仪器还有一个原因，早期电控工程师都很熟悉DSP，使用汇编语言，TC387/TC397以及目前主流MCU都使用C语言，精通C语言是嵌入式软件工程师的基本技能，但电控工程师完全不熟悉C语言。新兴造车企业则有大量的嵌入式软件工程师。

　　实际选择英飞凌还有一个原因，那就是燃油车的惯性，燃油车的底盘控制多用英飞凌系列的MCU。现在NXP有意挑战德州仪器和英飞凌的市场地位，这就是NXP新出的S32E系列。恩智浦与Rimac Technology联合开发的架构提供了一个易于使用的平台，支持多种汽车应用的开发与高效集成，例如汽车动态控制、充电控制、能源与热管理以及车身电子系统。S32E2处理器作为该架构的核心，可将20多个ECU整合至仅3个控制器。S32E处理器属于恩智浦高性能多应用处理器系列，集成了8个运行频率高达1 GHz的Arm Cortex-R52处理器内核和高分辨率模数转换器ADC，并支持高达64MB的大容量非易失性存储器（Flash Memory）。

S32E将大幅度精简多合一主控的PCB板面积和数量，比亚迪的八合一用了多达11块PCB，如果S32E的话，可以精简到2-3块。

　　NXP之所以这么有信心，还在于目前电机驱动出现了一种新潮流，那就是FOC，FOC （Field-Oriented Control），直译是磁场定向控制，也被称作矢量控制（VC，Vector Control），是目前无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最优方法之一。FOC旨在通过精确地控制磁场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。简单来说就是，FOC是一种对无刷电机的驱动控制方法，它可以让我们对无刷电机进行“像素级”控制，实现很多传统电机控制方法所无法达到的效果。

　　相比传统的电子调速，FOC的优势：

• 低转速下控制，由于控制原理的区别，无刷电调只能控制电机工作在高转速下，低速下很难控制；而FOC控制器则完全没有这个限制，不论在什么转速下都可以实现精确控制。
• 电机换向，同上面的理由，由于无感电调无法反馈转子位置，因此很难实现电机正反转的换向；而FOC驱动器的换向性能极其优秀，最高转速下正反转切换可以非常顺畅；此外FOC还可以以能量回收的形式进行刹车控制。
• 力矩控制，普通电调都只能控制电机转速，而FOC可以进行电流（力矩）、速度、位置三个闭环控制。
• 噪音，FOC驱动器的噪音会比电调小很多，原因是普通电调采用方波驱动，而FOC是正弦波。

　　FOC是一种先进的电机控制技术，特别适用于永磁同步电机（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）和交流感应电机（ACIM，Alternating Current Induction Motor）的精确控制。该技术通过复杂的坐标变换和独立控制机制，使交流电机的表现接近直流电机的特性，从而实现电机的高效能与精准控制。FOC控制过程主要包括电流环、速度环和位置环三环控制，辅以多种调节算法，共同完成电机系统的闭环控制。它依赖于坐标变换（包括Clarke变换和Park变换），将三相定子电流转换为与转子磁通对齐的 d-q 坐标系。

　　FOC算法复杂，纯DSP比较难实现，通常需要加一片CPLD或FPGA。DSP芯片主要承担高级控制算法的实现任务，例如位置控制、速度控制和电流控制等。DSP通过读取FPGA采集的各种电机状态数据，执行复杂的计算任务，实时完成PID（Proportional-Integral-Derivative，比例-积分-微分，常见的反馈控制算法）调节处理，并生成驱动电路所需的SvPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）控制信号，从而实现对整个电机系统运行状态的精确控制。FPGA则主要负责实时数据的采集和初步处理，包括旋变和角度模块产生的角度数据，以及A/D（Analog-to-Digital，模拟信号到数字信号）采样模块接收到的电流数据等。

　　FOC算法有两种，一种是有传感器，需要传感器测量电流和转子位置，这样成本较高，并且需要电机厂家订做，比较麻烦，并且高温下，传感器可能有误差，优点是算法相对简单。另一种是无传感器，目前趋势是用深度学习估算电流和位置（也有其他算法估算位置），这实际是一种深度学习领域常见的MLP多层向量机算法，无传感器方案灵活性更佳。无传感器FOC算法最佳载体是矢量计算单元或者说并行计算单元，英飞凌在TC4X系列MCU里加入了PPU，也就是并行计算单元，由标量核（scalar core），向量核（vector core/SIMD core），一级缓存，及其它系统资源组成。

　　NXP的S32E2和TC4X一样，也是加入了并行计算单元，同时还有高精度高级计时器和高分辨率模数转换器以及 5V 模拟和 I/O 的形式，面向具有直接驱动电机控制功能的 xEV 集成应用。

　　S32E2同时还内置了以太网交换机。与外置以太网交换机相比，有几个优点：一是降低成本，二是方便组成可靠性更高的环形网络，即使有一路断掉也能正常运行，三是延迟更低。目前内置以太网交换机的MCU或MPU只有德州仪器和NXP。

　　传统的Zone架构是星型架构，更先进的是环形架构。

环形架构提供了失效容忍功能，有冗余，安全性很高。

环形架构提供冗余，星型则需要一条中央计算与每一个域控制器数据连接。

交叉域控制器的三大关键组件，即MCU、以太网交换机和物理层。

从延迟的角度看，最好是将以太网交换机集成在MCU内。

　　S32E2与目前最先进MCU对比

　　整理：佐思汽研

除了S32E2，NXP还推荐一款价格较低的S32K396。

　　S32E288典型应用框架图

S32E288典型应用框架如上图，可以轻松将内燃机控制、混动策略控制、牵引力控制、前后双电机控制、BMS、VCU和OBC集成。可以集成整车控制器或底盘控制器。

　　S32E2软件架构

S32E2软件架构，Flash有32-64MB，可以运行比较复杂的虚拟机以及复杂中间件，支持多路以太网连接，内置以太网交换机，从信号导向改为服务导向，大幅度减少开发周期，降低开发成本。

　　多合一主控MCU市场则会出现什么样的变化，让我们拭目以待吧。

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