机床切削是工业生产中最常用的机械制造方法,而滚珠丝杠因其较高的刚性和传动效率广泛应用于机床的进给系统中。机床进给运动对参考轨迹的跟踪精度直接影响零件加工的表面质量,但在高速切削过程中,会激发出进给系统的振动模态,并且振动模态会随着工作台位置和零件质量改变而改变。系统振动会限制控制系统带宽,导致系统不稳定并降低机床在切削过程中的跟踪精度。此外,切削过程中受到的切削力以及非线性摩擦等外界干扰也会影响跟踪精度,并且高频干扰也会激发系统共振。同时,系统传感器的反馈信号都会存在随机的干扰以及噪声。综上所述,本研究的主要目标即针对上述问题设计伺服控制器,使得控制器能够抑制系统结构振动并且获得高跟踪精度,高伺服带宽以及对系统时变振动模态、外界干扰和随机噪声具有鲁棒性。为研究滚珠丝杠进给系统伺服控制方法,需要针对系统动力学特性建立相关的控制模型。针对系统低频状态建立了刚体控制模型,针对系统高频状态建立能表现一阶振动模态的柔性体控制模型,针对系统参数不确定性建立具有不确定性的柔性体控制模型以及建立能够体现系统动态时变特性的LPV模型。并在课题所搭建的高速滚珠丝杠进给实验系统对控制模型的参数进行辨识。采用遗传算法对进给系统的摩擦模型进行辨识,并利用摩擦模型,结合最小二乘估计方法辨识转动惯量和阻尼。采用正弦扫频测试方法辨识系统的柔性体控制模型,并在多个位置和不同质量下进行扫频实验,研究系统的时变动态特性变化规律。针对系统刚体控制模型设计伺服控制器。首先,设计基于扩张状态观测器的自适应滑模控制器,利用扩张状态观测器观测得到的系统状态变量和外界扰动设计滑模控制律,保证跟踪精度和对系统扰动的鲁棒性;其次,设计振动补偿方法,用于实际运行过程中的振动抑制。并设计了带前馈的P-PI控制和自抗扰控制,通过仿真和对比跟踪实验验证基于扩张状态观测器的自适应滑模控制器具有更高的跟踪精度和对工作台质量变动和干扰具有更高的鲁棒性。针对系统柔性体控制模型设计广义扩张状态观测器,把系统存在的参数不确定性,外界干扰以及非线性动态作为系统满足和不满足匹配条件的扰动,利用设计的广义扩张状态观测器对系统状态变量以及扰动进行观测,并结合线性二次型调节器理论设计了能够有效补偿系统扰动的跟踪控制器,为了进一步增加控制器的振动抑制性能,设计了陷波滤波器。最后,通过仿真及跟踪实验验证了广义扩张状态观测器和控制方法的有效性,并且相较于针对刚体模型设计的控制器,针对柔性体模型设计的控制器具有更高的系统带宽。为了进一步提高进给系统跟踪精度,针对系统柔性体控制模型,考虑同时存在的满足匹配条件和不满足匹配条件的扰动,结合广义扩张状态观测器设计了能够有效补偿满足匹配条件和不满足匹配条件扰动的基于广义扩张状态观测器的积分滑模控制器,并且提出了积分滑模控制律中系数矩阵的优化设计方法,解决了传统滑模控制律参数整定复杂的特点。通过仿真及跟踪实验证明该方法在系统存在参数不确定性、外界干扰和振动的情况下能够改善跟踪精度和带宽。考虑到滚珠丝杠进给系统存在的时变振动模态,设计并联结构控制器来实现控制目标。控制器由两个部分组成:1)跟踪控制器是针对系统柔性控制LTI模型设计的采用带参考轨迹的线性二次型调节控制器,用于实现对参考轨迹的精确跟踪;2)振动抑制控制器由一系列局部μ综合控制器插值组成,每一个局部μ综合控制器用于抑制在一定负载质量和工作台位置范围内的系统柔性模态,然后基于鲁棒控制器Youla参数化方法,插值得到能够有效抑制系统时变柔性模态的增益调度控制器。在大行程下的跟踪实验表明,相较于带前馈的P-PI控制器和仅使用跟踪控制器相比,并联结构控制器具有更好的振动抑制特性,并且对于系统时变特性和外界干扰具有更高的鲁棒性。