电动负载模拟器是利用直流或交流电机作为机电能量转换元件,它用于对运载器舵机系统进行加载实验,模拟其舵面在空中飞行过程中或水下航行中所承受的铰链力矩。电动负载模拟器驱动加载电机时存在以下主要问题:为舵机实现转矩加载过程中,经常忽略加载电机与舵机的惯量和刚度问题从而影响加载转矩响应速度;传统电压型 H桥两电平驱动器驱动加载电机时,存在加载转矩脉动比较大和加载精度低等缺点;转矩控制常采用前馈控制实现转矩跟踪,控制系统受外界参数影响比较大。针对以上存在的问题,本文以电动负载模拟器加载电机驱动器为研究背景,研究加载电机与舵机机械环节匹配问题、加载电机驱动器转矩脉动和转矩跟踪控制策略。　　首先,采用机理建模和MATLAB仿真模型的方法,建立永磁直流力矩电机转矩伺服控制系统模型。研究转矩加载伺服系统的稳定性,轴系刚度和转动惯量对加载系统频宽的影响并得出相应的结论:电动负载模拟器应尽量降低轴系的转动惯量,以提高加载系统的带宽;提高轴系刚度可拓宽加载系统的带宽,但在选择轴系刚度时要综合考虑加载系统稳定性和加载频宽问题。基于加载电机与舵机惯量匹配分析和仿真结果,提出电动负载模拟器与舵机匹配原则,以满足舵机转矩加载要求。　　然后,针对H桥两电平电压型驱动器在驱动电动负载模拟器时存在的问题,提出五电平加载驱动拓扑结构,在同一载波频率下,采用五电平取代两电平,减小了两电平拟合电流时脉动比较大且谐波含量高等缺点,同时为制动能量提供能量通路,实时快速地处理制动能量。五电平驱动拓扑结构是由有源前端变换器、双向开关网络和H桥驱动拓扑结构组成。有源前端变换器实时快速地处理制动能量并实现能量的双向流动,以提高加载系统的带宽。单周期控制有源前端变换器存在直流母线电压脉动性较大和轻载时功率因数较差等问题。提出改进的单周期控制有源前端变换器,采用前馈控制和改进调制策略并引入输入电流同步方法,完全消除了电压误差信号在轻载时对功率因数的影响,保证了输入电流良好的正弦度。由双向开关网络和H桥变换器构成的五电平加载驱动拓扑,消除了恒值加载时的转矩过冲,提高正弦加载时的转矩加载精度。系统仿真结果表明,新型五电平加载驱动拓扑结构具有动态响应快,快速处理制动能量,拓宽了系统加载频宽,提高了系统加载精度。　　转矩跟踪控制引入两个非线性积分器,强制开关变量在每个完整的开关周期内的平均值严格与控制基准成线性关系,实现了转矩跟踪控制。针对加载系统受到舵机强位置扰动的影响,积分器容易出现饱和现象从而导致加载系统的不稳定。带前馈控制的转矩跟踪控制对舵机强位置扰动具有很强的抑制作用。带前馈控制的转矩跟踪控制存在两个积分器,控制系统复杂,积分器存在反向复位问题影响其动态加载过程,同时控制系统受外界参数影响比较大。提出改进的转矩跟踪控制策略,消除积分器,采用反向可复位锯齿波作为载波,构成转矩外环、电流内环的双闭环控制系统,控制系统简单便于实现模拟控制,保证转矩跟踪的实时性和快速性,提高了控制系统的鲁棒性。仿真实验结果表明,改进的转矩跟踪控制实现了转矩实时、快速和准确地跟踪给定转矩的变化,为舵机提供有效加载控制模式。　　最后,本文设计和实现了电动负载模拟器系统。根据加载系统的组成分别对电流和转矩检测及调理电路进行了设计,对电动负载模拟器加载系统进行实验研究。实验结果表明系统各项性能指标均达到设计要求,进一步验证了新型五电平加载驱动拓扑和改进的转矩跟踪控制的正确性和有效性。新型五电平加载驱动拓扑降低转矩过冲和提高转矩加载精度,制动能量的快速处理对提高加载系统带宽具有重要的工程实用价值。