目前,在中小功率高精度伺服驱动领域,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其结构简单、功率密度大、效率高、运行平稳等优点,已经成为主流之选。传统的伺服控制系统大多采用PI控制器,而PMSM是个多变量、非线性的控制对象,在实际应用中存在许多不确定的扰动,传统PI控制器难以同时满足伺服系统跟踪性和鲁棒性的要求。传统转速环PI控制器参数与控制系统性能之间关系不明确、难以整定,为解决这一问题,本文对系统模型进行了简化,并研究分析了基于状态方程的新型PI控制器。传统的PI控制器在设计时先选定控制器的结构形式,而后再通过传递函数分析系统的控制性能。而新型PI控制器设计方法与传统的方法刚好相反,先设计跟踪误差的衰减规律,而后反推得到控制器的形式。新型PI控制器结构简单、控制器参数易于整定、可以适应存在多种输入类型的场合。简化后的转速环控制系统经新型PI校正后为一个二阶系统,其阶跃响应在阻尼比为1的情况下仍然会存在超调。另外,转速环PI控制系统是一种一自由度控制器,无法独立调节控制系统的跟踪性能和抗扰性能。IP控制器尽管可以被用来消除转速控制系统阶跃响应的超调,但会导致系统对连续变化输入的跟踪性能较差。为解决这一问题,本文提出了一种变结构PI控制器,可以实现系统在连续变化输入作用下表现为PI控制系统,在阶跃输入的作用下表现为IP控制系统,既消除了阶跃响应的超调也提高了系统对连续变化输入的跟踪性能。为进一步提高IP控制器的跟踪性能,本文提出了一种最优IP控制器,同样在阻尼比为1的情况下,保证系统阶跃响应无超调时的响应速度最快。然而,最优IP控制器对连续变化输入的跟踪性能仍然较差。为解决这一问题,本文提出了一种变给定增益PI控制器,可以实现系统在连续变化输入作用下表现为PI控制系统,在阶跃输入的作用下表现为IP控制系统。无论是新型PI控制器、变结构PI控制器,还是变给定增益PI控制器,都属于一自由度控制器,系统的跟踪性能和抗扰性能完全耦合,无法独立调节。针对此问题,本文在常见的两种二自由度控制结构的基础上设计了二自由度PI控制器,并借鉴变给定增益PI控制器的输入类型判别方法设计了变结构二自由度PI控制器。该控制器不仅包括了以上一自由度PI控制器的全部优点,还实现了系统跟踪性能和抗扰性能的解耦,使得两种性能能够单独调节,进而同时达到最佳。这些优点使得变结构二自由度PI控制器具有工程实用意义,尤其适用于高性能转速伺服场合。