协作机器人在电子、汽车、机械、半导体、医疗、教育、餐饮等领域拥有广泛的市场需求,成为了《中国制造2025》发展战略的重要内容之一。而协作机器人普遍采用高度集成的一体化关节结构,具有变载变惯量、接触性作业、启停频繁、轻量化的复杂工况特点,为了高效安全地完成人机协作任务,高响应速度（高响应）和高精度的位置控制成为了协作机器人一体化关节用永磁同步电机必须同时满足的驱动性能要求。但目前的位置伺服系统普遍采用基于PID控制的三环（位置环、速度环和电流环）串行控制策略,存在定位响应速度慢、精度低、鲁棒性差等问题,无法适应协作机器人的应用需求。对此,本文以协作机器人一体化关节用永磁同步电机位置伺服系统为研究对象,围绕如何在变速变载工况下提高其定位响应速度和精度而开展研究,提出一种基于双滑模变结构混合控制的高响应高精度位置控制方法及系统。首先,分析了国内外最新的基于滑模变结构控制理论的位置速度一体化控制方法,获得其在变速变载工况下产生控制结构复杂、响应速度与抖振难以同时兼顾等问题的根源;分析了国内外最新的基于滑模变结构控制理论的负载力矩辨识方法,获得其在变速变载工况下产生补偿困难、适应性差等问题的根源;并根据协作机器人用永磁同步电机的数学模型,确定了较合适的基于最大转矩电流比的矢量控制作为基本控制策略;其次,为了提高永磁同步电机位置伺服系统在变速变载工况下的定位响应速度,提出了基于趋近律优化和梯形速度规划的改进型位置速度一体化滑模变结构控制器,以实现变速变载工况下永磁同步电机定位响应速度的提升;为了提高永磁同步电机位置伺服系统在变速变载工况下的定位精度,提出了基于滤波器改进和反馈增益自适应控制的改进型负载力矩辨识滑模变结构观测器及前馈补偿方法,以实现变速变载工况下永磁同步电机定位精度的提升;为了同时提高永磁同步电机位置伺服系统在变速变载工况下的定位响应速度和精度,提出了基于速度限幅控制和估算负载力矩集成的双滑模变结构混合控制系统,以实现变速变载工况下永磁同步电机定位响应速度和精度的兼优;然后,为了验证所提出方法的正确性,基于Matlab/Simulink建立了所提出算法的仿真模型,并模拟协作机器人的运行工况进行了仿真对比分析。由仿真结果知,在不同的位置给定条件下,改进型位置速度一体化滑模变结构控制器相比传统方法,不仅能够有效提升定位响应速度以及减小控制器的输出抖振,还使得电机运行速度被严格限制在最高速度以下,在提高定位响应性能的同时保证了电机的运行安全;在变化的速度给定和负载力矩给定条件下,改进型负载力矩辨识滑模变结构观测器相比传统方法,能够有效提升辨识的精度及响应速度;在不同的位置给定和变化的负载力矩条件下,双滑模变结构混合控制系统能够同时提高定位响应速度和精度;最后,为了进一步验证所提出方法及仿真结果的正确性,搭建了基于d SPACE的半实物仿真平台,包括基于d SPACE的电机拖动平台、基于Matlab/Simulink的位置伺服系统以及基于Controldesk的控制软件;并基于该平台,模拟协作机器人的运行工况进行了试验对比测试。由试验结果知,在不同的位置给定条件下,相比传统方法,改进型位置速度一体化滑模变结构控制器的定位响应速度提升了14.18%-30.89%,且由于输出抖振幅度的减小,定位精度提升了37.5%-60%,同时,电机运行速度被严格限制在最高速度以下,在提高定位响应性能的同时保证了电机的运行安全;在变化的速度给定和负载力矩给定条件下,相比传统方法,改进型负载力矩辨识滑模变结构观测器的负载力矩辨识精度提升了23.53%-70%,响应速度提升了45.83%-56%;在不同的位置给定和变化的负载力矩条件下,引入双滑模变结构混合控制算法的系统与未引入双滑模变结构混合控制算法的系统相比,定位精度提升了49 pulse-200.8 pulse,且定位响应速度也得到了极大提升,达到了空载运行时的86.73%-93.64%。