英特尔Agilex FPGA在双轴电机控制系统的应用

随着工业自动化、机器人及汽车系统日益精密，经认证的功能安全和实时控制性能已成为不可或缺的必要条件。Altera 和 MathWorks 联袂呈现的双轴电机控制系统，不仅通过 TÜV 认证达到Cat. 3 PLd 安全等级，更以Agilex 5 SoC FPGA为核心载体，巧妙融合基于模型的开发方式与灵活且可移植的安全架构，为工业控制领域的安全与效能平衡提供了硬核技术支撑。

基于模型的设计流程

该双轴电机控制系统的开发以基于模型的设计方法为核心：

Altera 的 DSP Builder 高级模块组直接与 MATLAB 和 Simulink 集成，让控制工程师能够在系统层面完成算法的设计、仿真和优化；

这些算法随后会被自动编译成可综合的 RTL 代码，直接部署到 FPGA 逻辑结构中，简化从模型到硬件的流程；

本演示采用仿真的工业电机模型替代实体电机，能够在不同负载条件、驱动拓扑及性能目标下进行参数化测试，无需反复迭代硬件设计。

该方法显著缩短了开发周期，能够在仿真与实际部署硬件之间保持高保真度，同时支持快速设计探索。

双通道功能安全架构：异构冗余模式

同时，系统通过两个独立的速度检查器实现功能安全：

检查器通道 1 完全运行于 FPGA 逻辑结构中；

检查器通道 2 作为软件，在 Agilex 5 SoC FPGA 设备内置的基于 Arm* 的硬核处理器子系统（双核 Cortex-A55 和双核 Cortex-A76 处理器及硬核外设）上执行。

此检查器冗余机制可同时缓解系统性故障（软件缺陷与工具链错误）和随机硬件故障（如单粒子翻转），满足严苛的 TÜV 莱因 Cat. 3 PLd 认证要求。

该系统通过软硬件协同的方法，能够构建正交安全验证路径，提升容错能力，同时简化工业、汽车及机器人应用的安全档案相关工作。

跨 Altera FPGA 产品家族的可移植性

此外，该演示设计具备可移植性：

若应用无需集成 Arm 处理器的复杂性和高性能，控制及安全功能可移植至 Altera 基于 RISC-V 架构的 Nios V 软核处理器；

采用 Nios V 软核处理器可提供灵活轻量化的替代方案，既能保持实时性能，又能扩展可选的 Altera FPGA 产品家族范围。

这使得该解决方案能适配多个 FPGA 产品家族，适用于从低成本边缘电机控制器到复杂多轴机械臂的全系列工业产品，且无需重新设计核心安全逻辑。

实时性能与系统响应能力

除安全性外，Agilex 5 SoC FPGA 架构还具备以下优势：

通过 FPGA 硬件实现关键路径的低时延确定性控制；

基于 Arm 处理器或 Nios V 内核的软件可编程能力，支持监控功能、诊断和运行时更新，提升现场已部署设备的系统响应能力；

细粒度电机仿真与高速低抖动信号路径，为机器人、伺服驱动和自主移动系统提供关键支持。

该系统通过同步确定性控制及出色的灵活性，更好地实现边缘分析和安全监控，实现了性能、安全性与适应性之间的更优平衡。

简化认证工作，专注技术创新

MathWorks 与 Altera 联合提供工具链，能够助力简化以下工作：

通过 DSP Builder 实现算法设计与验证；

通过 DSP Builder 实现 HDL 代码自动生成；

通过经 TÜV 审查的架构和文档，加速安全验证；

采用 Altera FPGA 硬件验证，加速整体功能开发。