隨著工業(yè)自動化、機器人及汽車系統(tǒng)日益精密，經(jīng)認證的功能安全和實時控制性能已成為不可或缺的必要條件。Altera 和 MathWorks 聯(lián)袂呈現(xiàn)的雙軸電機控制系統(tǒng)，不僅通過 TüV 認證達到Cat. 3 PLd 安全等級，更以Agilex 5 SoC FPGA為核心載體，巧妙融合基于模型的開發(fā)方式與靈活且可移植的安全架構(gòu)，為工業(yè)控制領(lǐng)域的安全與效能平衡提供了硬核技術(shù)支撐。

基于模型的設(shè)計流程

該雙軸電機控制系統(tǒng)的開發(fā)以基于模型的設(shè)計方法為核心：

Altera 的 DSP Builder 高級模塊組直接與 MATLAB 和 Simulink 集成，讓控制工程師能夠在系統(tǒng)層面完成算法的設(shè)計、仿真和優(yōu)化；

這些算法隨后會被自動編譯成可綜合的 RTL 代碼，直接部署到 FPGA 邏輯結(jié)構(gòu)中，簡化從模型到硬件的流程；

本演示采用仿真的工業(yè)電機模型替代實體電機，能夠在不同負載條件、驅(qū)動拓撲及性能目標下進行參數(shù)化測試，無需反復(fù)迭代硬件設(shè)計。

該方法顯著縮短了開發(fā)周期，能夠在仿真與實際部署硬件之間保持高保真度，同時支持快速設(shè)計探索。

雙通道功能安全架構(gòu)：異構(gòu)冗余模式

同時，系統(tǒng)通過兩個獨立的速度檢查器實現(xiàn)功能安全：

檢查器通道 1 完全運行于 FPGA 邏輯結(jié)構(gòu)中；

檢查器通道 2 作為軟件，在 Agilex 5 SoC FPGA 設(shè)備內(nèi)置的基于 Arm* 的硬核處理器子系統(tǒng)（雙核 Cortex-A55 和雙核 Cortex-A76 處理器及硬核外設(shè)）上執(zhí)行。

此檢查器冗余機制可同時緩解系統(tǒng)性故障（軟件缺陷與工具鏈錯誤）和隨機硬件故障（如單粒子翻轉(zhuǎn)），滿足嚴苛的 TüV 萊因 Cat. 3 PLd 認證要求。

該系統(tǒng)通過軟硬件協(xié)同的方法，能夠構(gòu)建正交安全驗證路徑，提升容錯能力，同時簡化工業(yè)、汽車及機器人應(yīng)用的安全檔案相關(guān)工作。

跨 Altera FPGA 產(chǎn)品家族的可移植性

此外，該演示設(shè)計具備可移植性：

若應(yīng)用無需集成 Arm 處理器的復(fù)雜性和高性能，控制及安全功能可移植至 Altera 基于 RISC-V 架構(gòu)的 Nios V 軟核處理器；

采用 Nios V 軟核處理器可提供靈活輕量化的替代方案，既能保持實時性能，又能擴展可選的 Altera FPGA 產(chǎn)品家族范圍。

這使得該解決方案能適配多個 FPGA 產(chǎn)品家族，適用于從低成本邊緣電機控制器到復(fù)雜多軸機械臂的全系列工業(yè)產(chǎn)品，且無需重新設(shè)計核心安全邏輯。

實時性能與系統(tǒng)響應(yīng)能力

除安全性外，Agilex 5 SoC FPGA 架構(gòu)還具備以下優(yōu)勢：

通過 FPGA 硬件實現(xiàn)關(guān)鍵路徑的低時延確定性控制；

基于 Arm 處理器或 Nios V 內(nèi)核的軟件可編程能力，支持監(jiān)控功能、診斷和運行時更新，提升現(xiàn)場已部署設(shè)備的系統(tǒng)響應(yīng)能力；

細粒度電機仿真與高速低抖動信號路徑，為機器人、伺服驅(qū)動和自主移動系統(tǒng)提供關(guān)鍵支持。

該系統(tǒng)通過同步確定性控制及出色的靈活性，更好地實現(xiàn)邊緣分析和安全監(jiān)控，實現(xiàn)了性能、安全性與適應(yīng)性之間的更優(yōu)平衡。

簡化認證工作，專注技術(shù)創(chuàng)新

MathWorks 與 Altera 聯(lián)合提供工具鏈，能夠助力簡化以下工作：

通過 DSP Builder 實現(xiàn)算法設(shè)計與驗證；

通過 DSP Builder 實現(xiàn) HDL 代碼自動生成；

通過經(jīng) TüV 審查的架構(gòu)和文檔，加速安全驗證；

采用 Altera FPGA 硬件驗證，加速整體功能開發(fā)。

這一集成化流程能夠縮短認證周期并降低開發(fā)風(fēng)險，為工程師加速推動安全關(guān)鍵型創(chuàng)新落地市場提供了高效技術(shù)路徑。