目前城市轨道及山岭铁路、水利工程已将硬岩TBM（Tunnel Boring Machine）作为主要施工设备使用,在许多需要建造小洞径、大坡度的隧道中对具有小直径而内部空间大的凯式TBM需求增多。世界范围内对凯式TBM有所研究的生产厂商只有极少几家,而刀盘驱动系统作为凯式TBM的核心系统直接关系到设备整体稳定性及施工效率。本文针对凯式TBM刀盘驱动系统的驱动设计及实验验证两方面进行研究和改进。首先,通过对国内外刀盘扭矩计算方法进行分析,最终选择以理论分析结合实践经验的计算方法计算出本课题TBM刀盘扭矩值。通过扭矩计算结果进行驱动功率设计并进行驱动电机选择及驱动配电系统进行设计。对耦合和非耦合两类控制方式分析后发现非耦合性控制中并行控制与串行控制两种驱动策略可适用于凯式TBM刀盘驱动控制,结合硬岩凯式TBM工作特点最终选择同步控制方式。并对刀盘启动运行的逻辑互锁就流程进行了设计。然后通过现场应用数据分析,对TBM刀盘启动及运行过程中多电机同步运行的电流、扭矩及刀盘扭矩等数据的同步性进行了分析比对,验证了驱动系统设计的合理性;展示了滑差同步算法的缺陷,并提出一种基于负载观测的耦合同步控制算法,利用滑模观测器和双曲正弦微分观测器对电机负载进行观测并计算各电机负载的平均值,再通过比例微分环节将其与其他电机的扭矩输入进行耦合;对该算法进行了仿真得到了良好的同步效果。本文通过对凯式TBM刀盘驱动系统设计和控制方面的研究及改进,很大程度提升了凯式TBM的设备稳定性、设备效率及施工设备成本控制,为后续同类型设备研究提供参考借鉴。