电动舵机系统是一个高精度宽频带的角位置跟踪伺服系统，其性能直接决定着飞行器控制的动态品质。摩擦和间隙是影响电动舵机系统静动态性能的重要因素，其非线性特性会导致系统的跟踪误差增大、驱动延时、低速“爬行”或极限环振荡等，严重制约了电动舵机系统伺服控制性能的提高。因此，必须采取适当的补偿控制方法，来消除或减小摩擦和间隙所带来的不利影响，以提高系统的跟踪精度。本文在系统总结相关领域研究现状的基础上，针对某飞行器论证了一套满足总体技术指标要求的谐波传动式电动舵机方案，并对该系统的多级滑模控制及非线性补偿等关键技术展开了深入研究，通过仿真分析和测试实验对比验证了该方案的有效性。论文首先确定了电动舵机系统的总体方案，包括采用谐波齿轮-圆锥齿轮相结合的机械传动方案和采用位置-速度双闭环的系统控制方案。对电动舵机系统进行了详细的参数化设计，包括负载分析、负载特性分析和负载匹配分析，确定了系统的最优传动比，并着重介绍了伺服电机的参数设计和选型以及谐波传动减速装置的参数设计。在此基础上，对电动舵机系统进行了详细的结构设计和结构改进设计，并对关键结构部分进行了动态仿真分析，结果满足设计要求。为解决因摩擦和间隙非线性影响而导致系统跟踪精度不高等问题，论文对电动舵机系统中摩擦和间隙非线性进行了辨识及补偿研究。针对位置-速度双闭环PI控制的电动舵机系统，建立了基于LuGre摩擦和迟滞间隙的数学模型；依据模型采用前馈补偿方法对系统中的摩擦进行补偿，同时采用逆模型方法对系统中的间隙进行补偿控制。实验结果表明，补偿后系统的最大位置跟踪误差由原来的0.166°减小到了0.096°，最大速度跟踪误差由原来的2.723rpm减小到了0.393rpm。本文提出的辨识测试方法能够精确地获得摩擦和间隙模型，基于该模型的补偿能够有效地提高电动舵机系统的跟踪精度。为进一步提高系统的跟踪精度，论文对电动舵机系统的多级滑模控制策略进行了研究。建立了谐波传动式电动舵机多级串联系统的数学模型，针对该模型设计了多级滑模控制器，并采用RBF神经网络对系统内的摩擦和间隙进行了在线自适应逼近，解决了传统滑模控制中必然存在的“抖振”问题，并利用该多级滑模控制方法与PI控制非线性补偿方法进行了数值仿真对比。结果表明，采用该多级滑模控制方法时，系统的位置和速度跟踪稳态误差均接近于0，这说明了该控制方法能够对系统中的非线性因素起到更好的抑制作用，从而可使电动舵机系统的伺服控制性能得到进一步提高。最后，论文基于RecurDyn与Matlab/Simulink软件对刚柔耦合谐波传动式电动舵机系统进行了机械动力学-控制系统的联合仿真。建立了位置-速度双闭环控制框图，采用非线性控制设计模块NCD与优化函数相结合的方法，实现了PI控制器参数的整定和优化，并对电动舵机虚拟样机进行了仿真测试，结果满足总体指标要求。通过利用在Matlab/xPC环境下建立的半实物仿真实验平台，对谐波传动式电动舵机的各项技术指标进行了实验测试。由实验结果可知，系统的最大舵面偏转角可达到±20°，最大舵面偏转角速度大于150°/s，最大输出铰链力矩可达到15N·m，系统带宽不小于25Hz，跟踪误差不超过0.1°，这说明所研制的谐波传动式电动舵机的各项性能指标都达到了总体技术指标要求。研究表明，所提出的谐波传动式电动舵机方案是可行的，论文研究成果对今后谐波传动式电动舵机的研究和研制工作都具有一定的借鉴作用。