作为工业机器人的三大核心部件之一,高性能伺服电机及其驱动器的性能还有待进一步提高。本文对永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)伺服系统的转速控制策略进行了研究。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控制器在设计时考虑了很多非理想因素和滤波环节,导致了控制器的参数与系统性能之间关系比较复杂。为解决这一问题,本文通过忽略传统PI控制器设计中的一些非理想因素和滤波环节,对系统模型进行了简化。在简化模型的基础上,采用基于状态方程的设计方法设计了复合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。而本文所采用的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。采用本文设计得到的复合PI控制器具有以下优点:控制器结构简单;控制器参数与系统性能之间的关系也比较简单,便于整定;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复合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。最后,本文还提出了一种基于安排过渡过程的超调抑制方法,利用PI控制系统能够在无扰动的情况下无稳态误差地跟踪连续变化输入这一特性来消除阶跃响应的超调。传统的二自由度控制器采用基于传递函数的分析方法,物理意义不明确。为此,本文采用了内模控制原理来设计扰动观测器(Disturbance Observer,DOB),阐述了传统DOB设计过程的物理意义。本文采用基于状态方程的方法设计得到了非矩阵形式的全阶状态观测器(Full-order State Observer,FSO)和降阶状态观测器(Reduced-order State Observer,RSO)。观测器的作用是构建一个与实际系统相同的模型,并迫使模型的输出跟踪实际系统的输出,从而使模型的状态趋近与实际系统的状态。为了实现模型的输出跟踪实际系统的输出,观测器中需要使用控制器。本文采用系统控制器的设计思路来设计观测器中的控制器,简化了观测器的设计过程。尽管传统二自由度控制器调节系统抗扰性能时不会影响系统的跟踪性能,但调节跟踪性能时会影响系统的抗扰性能,或者说系统的跟踪性能与抗扰性能之间未完全解耦,这导致了控制器参数调节的复杂性。为解决这一问题,本文提出了跟踪性能和抗扰性能完全解耦的P+RSO、P+FSO二自由度控制器。采用解耦控制器后,观测器的带宽只影响系统的抗扰性能,而比例系数只影响系统的跟踪性能,可以分别调节这两参数来独立地调节系统的跟踪性能和抗扰性能,从而可以简化控制器的参数整定过程。现代控制理论中状态观测器的设计依赖于系统模型,若系统模型中的状态系数和控制增益未知时,状态观测器将无法设计。为解决上述问题,韩京清提出了扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)。然而,采用ESO的控制系统仍然会受参数不确定性的影响。本文分析了状态系数和控制增益的不确定性对控制系统性能的影响。分析结果表明,状态系数的不确定性对系统跟踪阶跃输入的性能和抗扰性能影响很小,主要会对系统跟踪连续变化输入的性能产生影响,而控制增益对系统的跟踪性能和抗扰性能均会产生影响,且相比于状态系数的影响要大得多。在参数未知的情况下,可以利用参数准确时系统对连续变化输入跟踪性能更好的特性来离线估算实际控制增益。本文针对转速环控制增益变化的首要因素——转动惯量的变化,采用了基于正交原理的转动惯量在线辨识方法,并利用辨识得到的转动惯量实时调节系统的PI控制器和P+ESO控制器的参数,提高了两种控制系统对转动惯量变化的自适应性。