高精度、高动态气压仿真模拟是临近空间飞行器试验环节的关键技术。通常采用的定容积负压伺服系统受到真空泵抽气不足、抽/充气过程不对称、管路动态特性等因素影响,难以实现1 k Pa以下的负压动态模拟。为了实现涵盖更低范围的负压动态模拟,本文基于变容积原理进行系统设计,开展了如下工作:首先,针对基于变容积丝杆传动结构的负压伺服系统存在的转动惯量较大、装配精度要求较高等问题,提出了一体化直驱式变容积气缸结构。根据控制目标要求,确定了系统结构参数。通过实验分析了摩擦、泄漏两个不确定因素对系统性能的影响,建立了系统的Stribeck摩擦模型,测算出系统实际泄漏速度,为系统控制器设计奠定理论基础。其次,由于一体化直驱式变容积负压伺服系统的状态量之间存在非线性耦合,应用反馈线性化和微分同胚方法将被控对象解耦为具有正则标准形的等效模型。针对该等效模型,基于Lyapunov稳定性定理,采用反步法进行控制器设计,并在理论上证明所设计的反步法控制器具有大范围稳定性和一定的鲁棒性。在Simulink中分别对采用增益调度PID和反步法控制器的一体化直驱式变容积负压伺服系统进行性能仿真。仿真表明,相对于增益调度PID,反步法控制器对控制元件带宽要求较低,能克服摩擦干扰,在全范围具有控制效果一致性。最后,搭建一体化直驱式变容积负压伺服系统的实验平台,分别对采用增益调度PID控制器和反步法控制器的系统进行实验。实验表明,与增益调度PID相比,所设计的反步法控制器具有全范围控制效果一致性,最大幅值比误差不超过10%,最大相位误差不超过10°。本论文提出的基于一体化直驱式变容积气缸结构的负压伺服系统,可以实现0.3～10k Pa的高精度、高动态负压模拟。突破了1 k Pa以下负压动态模拟的技术瓶颈,为临近空间飞行器的气压仿真模拟提供了技术支持。