磁悬浮控制力矩陀螺是一种先进的姿态控制执行部件,具有振动噪声低、输出力矩精度高、寿命长等优点,是当前的研究热点。本文针对磁悬浮控制力矩陀螺中飞轮子系统在高转速下高精度稳速的运行要求,对控制系统进行了详细的分析与设计,并基于FPGA予以实现。论文的主要研究工作如下:论文首先对磁悬浮控制力矩陀螺飞轮系统进行了分析与建模。介绍了飞轮电机的基本组成和工作原理,采用相变量法,建立了其数学模型,给出了其传递函数框图,并且在此基础上对无刷直流电机的运行特性进行了分析。介绍了锁相环速度控制原理,分析了其基本结构并分别给出了鉴频鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型。其次根据飞轮电机传递函数模型设计了数字电流环控制系统参数,推导了电流环参数估算公式;提出了一种新型的数字锁相环系统,基于电流环-飞轮电机-霍尔位置传感器组成的压控振荡器模型设计了速度环控制系统参数,推导了速度环参数估算公式。设计了包括高精度PWM发生器、数字PI调节器、改进型M/T数字测速器的数字电路控制系统。在给出系统硬件电路总体设计框架的基础上,针对飞轮用小电感电机,对传统的PWM调制方式进行了改进,设计了一种基于PWM/AM的功率驱动电路。对控制系统的电路设计,包括系统主控芯片、位置和电流检测电路以及隔离电路作了详细说明,并相应的进行了电磁兼容分析和设计。分析了飞轮电机换相转矩脉动及其对转速稳定的影响,根据Ramirez提出的以李亚普诺夫导数形式表达的到达条件,设计了滑模变结构控制律,提出了一种锁相环-滑模变结构电流环的控制模式。搭建了实验平台,对所设计的控制系统进行了电流环性能测试和锁相环稳速实验验证并进行了结果分析,实验结果表明电流环动静态性能良好,稳速系统具有较高的稳速精度。