高性能伺服系统广泛应用于自动化产线、数控机床、机器人、航空航天装备等领域,而伺服系统的动态性能和稳态性能往往相互矛盾。本文以永磁同步电机伺服系统为研究对象,从信号控制和能量控制两方面出发,系统地建立永磁同步电机信号与能量协同控制原理,并给出信号控制器、能量控制器和协同控制策略的设计方法。利用信号控制器快速减小位置跟踪误差,能量控制器优化控制整个系统的能量,协同控制策略结合两者的优势,同时确保控制器切换过程中控制量连续平稳变化且不发生跳变。首先,本文采用了基于无差拍预测和端口受控哈密顿的协同控制方法。一方面,选用无差拍预测方法设计系统的信号控制器,使实际电流以最少步数到达参考值。另一方面,基于永磁同步电机的端口受控哈密顿模型,通过配置互联和阻尼矩阵,推导出期望的哈密顿能量函数,使系统实现良好的稳态响应。然后设计了协同控制策略,每种控制方法都能在相应的运行范围内得到有效利用,实现了无差拍控制器和端口受控哈密顿控制器的优势互补。其次,为了进一步加快系统的动态响应,本文采用了反馈线性化方法改进信号控制器的设计。另一方面,考虑到电机长时间运行产生的能量损耗,建立了考虑损耗的全新的端口受控哈密顿模型,采用损耗最小化方法计算最优定子电流,随后推导了闭环系统的能量控制器,优化控制了整个系统的输入能量、输出能量和损耗能量。结合协同控制函数,建立了基于反馈线性化和损耗最小化-端口受控哈密顿的协同控制系统,实现了快速动态调节和高效稳态运行,弥补了单一控制方法的不足。然后,将无传感器控制引入到了协同控制系统中,设计了自适应超扭高阶滑模观测器,仅使用一个观测器就可以同时估计转子的位置速度和跟踪参数不匹配引起的系统扰动,增强了系统对参数不确定的鲁棒性,并且简化了模型结构。另外,采用粒子群优化算法对协同控制器的协同参数进行了合理选择,避免了冗长的试错过程。同时,对几种典型的协同函数进行比较,得出了一定条件下的最佳协同函数,实现了有条件的最优协同控制。最后,构建了基于协同优化控制器和超扭滑模观测器的无传感器控制系统,实现了无传感器情况下高性能的协同优化控制。综上所述,本文针对永磁同步电机伺服系统,给出了三种协同控制方案并不断改进,使该系统可以同时结合信号控制和能量控制的优势,实现了动态运行位置快速调节和稳态运行能量优化控制。通过对比以上三种协同控制方案在各种工况下的实验结果,可以看出协同控制方法在动态响应速度、稳态精度和效率方面的综合性能更佳,验证了文中所提算法的理论创新性和工程应用价值。