随着制造业的快速发展,工业机械臂被广泛应用于搬运、组装等领域,其关节部分主要由伺服系统控制器、伺服电机、传动装置以及传感器组成,伺服系统动态性能的好坏在一定程度上决定了机械臂的运行性能。高性能的工业机械臂系统在满足动态响应速度快、定位精度高、运行稳定、抗扰动能力强等要求的同时,还需要考虑系统传动链转矩及时变的负载转矩(悬臂结构重力转矩)扰动问题。因此,本文根据机械臂工作要求与特点,对机械臂专用伺服系统进行设计与研究。首先对刚性机械臂伺服系统进行分析与优化设计。建立、分析系统传递函数模型,依次对位置环、转速环、电流环各环的控制器与结构进行分析与优化。电流环采用电流前馈解耦方式实现交轴、直轴电流动态解耦,增强电流动态跟踪性能;转速环采用PDFF控制方式,使系统转速快速响应、超调量小甚至无超调,并且系统有良好的转速跟踪精度;位置环采用前馈比例复合控制方式,加快系统动态响应速度的同时,减小系统位置跟随误差。其次,针对机械臂关节传动链及时变负载转矩扰动造成系统转速动态波动,进而影响位置控制精度的问题,提出一种嵌入动转矩闭环的控制策略。对控制系统结构进行设计,并对其工作原理进行分析。仿真结果表明,该控制方式可显著提高系统动态抗扰动性能与转速控制精度,进而可以提高位置控制精度。为构造动转矩闭环,设计降维转矩观测器,用于实时获取负载转矩、电机阻尼力矩、啮合波动力矩及齿间摩擦力矩数值之和。最后,通过实验验证嵌入动转矩闭环控制系统的有效性。通过实验结果对比可知,该控制系统可有效提高系统动态响应能力与抗转矩扰动性能,显著减小转矩扰动造成的转速跟踪误差,提高了系统的控制精度。