目前石油钻井设备仍然采用异步电机连接减速机的驱动模式,由于减速机齿轮等机械原因降低了系统的传动效率,增加了钻井的成本。而永磁同步电机与同容量的异步电机比较,具有更高的功率因数。本文结合钻井设备低速大扭矩的特性及其对电机直驱的需求,以表贴式永磁同步电机为研究对象,对其矢量控制系统及内模控制技术展开研究。针对永磁同步电机耦合电势的存在使得轴电流控制精度下降,进而影响转速和转矩的控制性能,引入基于内模解耦的永磁同步电机矢量控制策略,实现对d-q轴电流的解耦。仿真分析表明,内模解耦控制可以有效的减小d-q轴电流的耦合,提高电流的动态响应品质;内模解耦控制提高了转矩控制精度,实现了高性能的转矩控制。鉴于内模控制只有一个可调参数λ,钻井过程中受到的各种扰动制约了控制系统性能的进一步提升,影响了内模控制在钻井工程中的应用。针对这一问题,设计了一种二自由度内模控制器,其中反馈控制器用来实现对扰动和模型误差产生的偏差进行补偿,通过调节参数λ₁来调节控制器的抗干扰性;前馈控制器主要完成对给定信号的跟踪,通过调节参数λ₂来调节控制器的跟踪性,从而实现控制系统抗干扰性能和跟踪性能的独立调节。仿真对比验证表明,在电机空载启动、负载扰动和电机参数变化时,二自由度内模控制器的性能均优于内模控制器。针对钻井过程中复杂地层和钻具弹性储能造成的负载扰动,将二自由度内模控制应用到顶驱电控系统,利用内模解耦控制提高系统的抗干扰性;利用前馈控制对负载变化造成的转矩波动进行补偿,以此来提高顶驱电机控制系统的跟踪性。通过在井场对二自由度内模控制系统进行性能测试,实验结果表明所设计的控制系统能够跟随电机收到负载扰动时转速和转矩的变化规律,在较短的时间内降低顶驱电机转速和转矩的波动,对钻井工况引起的钻具振动有较好的抑制作用。