随着空间探测对目标观测精度的提高,要求望远镜具备更强的光学性能,从而达到对微小、暗弱、远距离目标的精准观测。工程上增强望远镜聚光能力和分辨率的一个重要方法就是提高望远镜的口径,然而这将对望远镜的伺服控制系统提出更高的要求。随着望远镜口径的增加,自身的转动惯量和外界的负载扰动也随之增大,这就要求伺服控制系统能够提供更大的功率和力矩来维持电机的正常运转。传统直流有刷电机功率密度低,在带动大功率负载设备时往往需要更大的体积,对望远镜成像光路的设计带来不利影响。此外,直流电机在换向时还存在机械电火花,不仅影响电机的使用寿命,还会给电机控制系统带来非线性力矩,降低伺服系统的跟踪性能;基于直流有刷电机的伺服控制系统已经不能满足大口径望远镜的跟踪需求,因此学术和工业界逐渐采用永磁同步电机作为大型望远镜的伺服驱动机构。永磁同步电机功率密度高,在大功率应用场合还能配备相应的冷却设备,从而消除热量引起的噪声,同时永磁同步电机还具备较高的转矩比和优异的低速跟踪性能,能极大提高望远镜的跟踪精度。针对永磁同步电机伺服控制系统的研究,国外起步较早,技术较为成熟,国内在该领域的研究虽取得了一定的成果,总体来说仍存在差距。因此,为提高大口径望远镜的伺服跟踪精度,本文以永磁同步电机为背景,研究并分析了影响跟踪性能的相关因素,根据永磁同步电机在应用当中存在的实际问题,制定了对应的控制策略。一般而言,伺服控制性能的优劣主要体现在三个方面,分别是系统的动态响应,稳态精度以及对干扰的鲁棒性。影响控制系统动态响应的因素主要有模型不确定以及系统时滞。模型不确定会导致PI控制器中的零点不能与被控模型中的极点产生对消,使控制系统的闭环不能成为理想的一阶惯性环节,从而产生超调和振荡。时滞会导致系统到达稳态所需调节时间较长,从而影响系统的动态性能。影响伺服跟踪精度的主要因素有齿槽转矩、电流波动以及磁通谐波,这些干扰通常为周期的非线性扰动,经过拉式变换可以看出其为二阶环节,因此采用传统的线性比例积分控制器,难以消除其对稳态精度的影响。外界的负载干扰通常等效为慢时变线性扰动,采用传统的控制方法虽能消除其产生的稳态误差,然而补偿扰动所需的过渡时间较长。根据上述分析,由于各种扰动的综合影响,采用传统的控制方法很难实现对望远镜伺服系统的精密控制。因此,课题对基于永磁同步电机的大型望远镜抗扰控制技术进行了相关研究,力求通过设计先进的控制方案,在提高伺服系统动态响应和跟踪精度的同时,增强对干扰的鲁棒性。本文的研究工作主要体现在以下几个方面:（1）基于永磁同步电机的数学模型,建立了速度环动力学方程和电流环电压方程;分析了环路扰动产生的原因;介绍了基于坐标变换的矢量控制算法以及脉宽矢量调制技术的基本原理,根据以上算法,搭建了望远镜主轴的永磁同步电机Matlab/Simulink仿真模型。（2）建立了伺服主轴系统的弹簧二质数学模型,分析了机械系统锁定转子频率对控制系统带宽的影响,为控制器的设计提供参考。在矢量控制技术的基础上设计了速度环、电流环的PI控制器,验证了经典算法的可行性,同时为永磁同步电机的数字化实现提供理论基础。（3）大口径望远镜伺服系统在低速运行时,环路内存在的转矩脉动将严重影响控制系统的跟踪精度。转矩脉动由于其周期性特征,单一控制算法很难对其进行有效的抑制。一种简单有效的方法是将PI算法与谐振控制器结合（PI-R）,利用谐振控制器在中心频率处的高增益对周期性扰动进行补偿。然而传统的PI控制器对系统内的未建模干扰以及负载扰动补偿效果较差,因此在补偿转矩脉动的同时,应考虑控制器对系统扰动的鲁棒性。为弥补传统控制算法的不足,本文提出了一种基于谐振控制的改进自适应鲁棒滑模控制算法。首先在速度环中设计出积分滑模控制器,使速度跟踪误差收敛到零,并获得一定的抗干扰能力,其次采用改进的自适应律对系统负载干扰和转矩脉动进行估计,最后将观测的转矩脉动以及其他干扰前馈到电流环中,从而减弱扰动对伺服跟踪精度的影响。（4）引起大口径望远镜伺服系统扰动的原因包括被控对象的不确定性,参数时变,风载扰动,这些因素导致望远镜伺服跟踪性能恶化,甚至造成控制系统不稳定。本文在永磁同步电机扰动分析的基础上,提出了一种基于扩展滑模参数观测器的改进鲁棒二自由度控制器。改进鲁棒二自由度控制器结构简单,能够实现预设的动态响应,并且能够通过设置内模滤波器的带宽,抑制系统未建模干扰。为增强控制器对周期性扰动的抑制能力,在控制器的前向通道中串级嵌入迭代学习模块,不仅能够抑制系统内存在的周期性转矩脉动,还能保持良好的动态响应。为确保系统的鲁棒稳定性,引入了扩展滑模观测器,通过加减速法,即可获得电机的机械参数,并用于鲁棒内模控制器的设计。此外,系统的扰动还可通过观测器得到进一步补偿。（5）电流环（转矩环）内存在的周期性谐波会在速度环内产生相同频率的速度波动,从而影响速度环的跟踪精度。本文介绍了分数阶微积分在控制系统中的应用,提出了基于分数阶矢量谐振的鲁棒内模控制算法。改进的谐振控制器嵌入了被控对象的逆和分数阶微积分算子,能够减少相位延迟以及提高增益和相位裕度,从而更有效的抑制谐波;另外为提高控制器对扰动的鲁棒性,设计了鲁棒内模控制器;仿真和实验表明所提出的控制算法不仅能够抑制系统内部的未建模干扰,还能减弱特定次转矩谐波对速度环的影响。（6）大口径望远镜所用的弧形拼接电机是直线电机的一种特殊形式,因此博士课题对永磁同步直线电机进行了相关研究,在对直线电机数学模型分析的基础上,设计了一种基于直线电机的推力脉动观测器,并通过李亚普洛夫函数分析了观测器的稳定性。仿真实验表明,所设计的推力脉动观测器能准确地观测出推力谐波,将观测的结果前馈到电流环后,推力脉动得到有效抑制。