伺服驱动系统是自动化设备中的核心执行部件,被广泛应用于工业机器人、汽车制造、芯片测试等领域。虽然伺服驱动系统具有定位精度高、响应速度快的特征,但随着这些领域对加工精度、生产效率的要求日益提高,基于位置响应的伺服驱动系统优化成为当前学术和工业界的关注热点。本文从伺服系统力矩、速度和位置的环路控制模型出发,分别研究了提升位置响应的力矩纹波抑制、速度环鲁棒控制和位置环优化控制等,并通过现场可编程门逻辑阵列实现了提出算法的软核化。首先,针对伺服驱动系统位置响应受力矩纹波制约的问题,开展了输出电压补偿及电流采样噪声抑制的研究,实现了低力矩纹波的环路控制。在小功率伺服系统中,力矩纹波受电流谐波制约,过大时影响定位稳定性,限制位置响应提升。针对逆变器输出电压畸变引入的电流谐波,提出了一种基于指数函数的电压补偿模型,实现了对逆变器非线性输出特性的匹配。通过神经网络对模型参数在线辨识,有效减小了逆变器参数误差对补偿模型的影响。进一步地,基于补偿后的电压对电流进行预测和修正,减小了电流采样延迟,抑制了采样噪声所引入的电流谐波。实验结果表明,上述控制策略不仅抑制了力矩纹波,而且有效提高了力矩环响应带宽。其次,针对伺服驱动系统位置响应受速度环响应特性制约的问题,开展了控制参数整定和模型补偿的研究,实现了高鲁棒性的速度环路控制。在伺服驱动系统中,速度环响应特性随系统惯量变化而改变,影响位置控制的稳定,限制位置响应提升。针对速度环响应特性变化,提出了对系统惯量辨识并修正速度环控制参数的解决办法。进一步地,为了匹配位置运行过程中的数据特征,构建了基于置信度函数的数据筛选模型,实现了在分立的加速或者减速过程中对系统惯量的自适应辨识。此外,为了提高辨识过程中或者系统惯量持续变化时速度环的鲁棒性,基于速度环频率响应模型构建了鲁棒补偿器,抑制了系统惯量对速度环响应的影响。实验结果表明,上述控制策略有效提高了速度环的鲁棒性,削弱了系统惯量对位置环控制的影响。最后,针对伺服驱动系统位置响应和鲁棒性相互制约的问题,开展了基于虚拟模型的指令轨迹规划研究,实现了高鲁棒性和高响应的位置环路控制。在位置环控制中,由于系统参数变化导致的鲁棒性问题,限制了位置响应提升。针对鲁棒性限制,基于模型预测控制规划了具有位置提前量的虚拟指令参考,实现了在兼顾鲁棒性的基础上提高位置响应。进一步地,为了避免系统参数对虚拟指令的影响,在虚拟指令计算时采用虚拟模型生成的位置反馈来代替实际位置反馈。在设计的硬件驱动系统和负载平台上对提出的控制策略进行了验证,结果表明上述控制策略在兼顾鲁棒性的基础上,有效提高了位置响应,最大跟随误差由38.9%降低至6.01%。