在现代工业社会中,机械臂被称为“制造业皇冠顶上的明珠”,可见它在生产设备中的地位,作为一种自动化设备,涵盖了多种学科例如机械、电子等,是一个国家生产力水平的重要标志。随着工业发展,对机械臂的要求不断提高,机械臂或者说机械关节向着高精度化、轻小型化、高速化发展。本文为实现二自由度关节的高精度化、轻小型化、高速化分别在结构与理论上进行了研究。首先,为满足机械关节的高精度要求,对二自由度关节进行了结构选型与硬件规划。先是在关节结构上用双电机消隙方式,抑制二惯性特征;然后,按照消隙方式给出了单关节控制器硬件规划方案。最后根据关节指标对关节主要受力部位进行了强度分析与变形分析。分析表明,单从结构上进行改进是远远不能满足高精度关节传动要求的,还必须在控制方式上采取相应的措施。其次,为实现机械关节的高精度要求,对机械关节的二惯性特征在理论上进行了控制方式的研究。新兴的控制算法计算量较大,计算速度较慢,不能实现机械关节的工程应用。在本课题中对经典的PID控制算法进行了分析,以期得到一种对系统参数依性赖较小的整定方式。首先根据经典控制理论推导了传统PID工程整定的参数公式;然后以添加了二惯性特征的关节模型为基础进行了频域内的参数整定仿真,并得到了一定限制条件下的经验整定公式;最后将两种参数整定方式的系统依赖性进行了对比,结果表明经验公式法具有较弱的系统依赖性。然后,设计了轻小型化电机系统以实现机械关节的轻小型化要求。先是对电机的本体结构进行了设计,得到了满足指标要求的高速、重载电机结构,利用电磁仿真,对所设计结构进行了验证与修正;然后根据电机的高速化要求,对电机控制器进行了硬件设计与理论分析,分析了所设计的控制器能达到的理论死区时间,验证了所选用器件实现高频化的可能性;最后搭建电机伺服系统闭环控制结构,对组合式磁电编码器进行了硬件设计,为了实现机械关节高精度传动的目标,对高精度编码器进行了初步设计。最后,进行了基础实验与参数整定实验。在基础实验中,首先对所设计高频控制器功能与理论死区时间进行了验证;然后对高精度编码器所使用的多对极程序进行了验证,并对组合式编码器进行了标定结果验证实验与动态伺服精度实验。在参数整定实验中,先是根据上述的两种整定方式对具体的实验平台进行了参数计算,并进行了仿真与校正;最后,对比了三种整定方式的在电机系统稳定方面的整定效果。