机器人关节驱动系统是一个复杂的、强耦合的非线性系统,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有结构简单、准确度高以及运行可靠性高而被选为机器人关节驱动系统的驱动电机。本课题将机器人驱动系统分为动态和稳态两个过程进行控制,分别设计信号和能量控制器,选取协调控制策略,设计机器人关节驱动系统协调控制器。第一,首先对本课题的研究目的和意义做了介绍,对机器人及永磁同步电机的国内外研究现状做出了简单介绍。推导机器人运动学、逆运动学、动力学方程以及对PMSM建立数学模型。第二,针对机器人驱动系统控制性能不佳的问题,采用滑模控制作为系统动态过程控制器,选用端口受控哈密顿(Port-controlled Hamiltonian,PCH)控制对稳态过程进行控制。提出协调控制策略,设计滑模与PCH协调控制,让两种方法分别在不同的时间段起到主要的控制作用,克服两种控制器单独控制时存在的缺点。仿真结果表明,协调控制能够兼具两种控制器的优点,并克服各自单独控制存在的不足。第三,针对如何将驱动电机和机器人动力学结合起来控制问题,设计机器人动力学比例微分(Proportional differential,PD)加重力补偿和PCH协调控制。通过电流转换,设计电流环反步控制器,实现与电机控制相结合。仿真结果表明,协调控制系统不仅能够快速跟踪到给定位置,而且稳态性能较好,受参数影响较小。第四,针对实际应用中的机器人关节驱动系统的负载转矩未知的问题,设计PD加重力补偿和PCH协调控制,然后根据位置跟踪误差设计负载转矩观测器。仿真结果表明,负载转矩观测器能够准确观测出负载转矩的大小,而且当系统有负载转矩扰动时,系统波动较小。综上所述,针对机器人关节驱动系统动态和稳态性能不佳;如何把PMSM同机器人动力学结合控制;以及负载转矩未知的实际应用系统。本文分别提出滑模与PCH协调控制来改善关节驱动系统的性能;PD加重力补偿和PCH协调控制设计机器人动力学控制器,进而和PMSM结合控制;最后设计负载转矩观测器,系统可以应用到负载转矩未知的情形,使协调控制系统具有更好的抗负载转矩扰动的能力。