控制力矩陀螺是一种航天器姿态执行机构,主要用于航天器姿态控制和快速机动任务。控制力矩陀螺利用力矩放大效应,具有力矩放大倍数高、输出力矩连续等优点。控制力矩陀螺主要由动量轮和框架组成。动量轮系统性能的优劣直接影响到控制力矩陀螺性能的好坏。本文设计了一种尺寸小、重量轻、运用于控制力矩陀螺的动量轮系统,使得控制力矩陀螺能工作在微纳卫星等小尺寸航天器上。动量轮系统主要由动量轮的机械结构和直流无刷电机驱动控制系统两部分组成。动量轮的机械结构设计包括电机、高速飞轮以及附属支撑连接机构的设计。根据支撑方式的区别,提出了悬臂式结构和框架式结构两种总体结构。选用直流无刷电机作为驱动高速飞轮的电机,根据相关技术指标估算出电枢尺寸和其他电机尺寸参数,并设计了与电机相匹配的两种高速飞轮。建立了动量轮的转子动力学模型,对动量轮的特性做了相关研究。直流无刷电机驱动控制系统设计分为硬件设计和软件设计。对直流无刷电机的工作原理进行研究,着重研究了电机换相和起动的过程,并建立了直流无刷电机的数学模型,为直流无刷电机驱动控制系统设计提供理论基础。以数字信号处理器为主控芯片,设计了驱动控制电路,并编写了与硬件电路相匹配的驱动控制程序。研究了动量轮系统的工作性能。首先测试了动量轮系统的开环输出性能。随后设计了离散PID控制器研究了动量轮系统的转速控制特性。实验结果显示,在工作转速内,相对误差能够控制在±0.25%之间,取得了良好的控制效果。最后,采用系统辨识的方法辨识出直流无刷电机的占空比-转速传递函数,基于灵敏度函数塑形模板设计了匹配传递函数的数字内模控制器。仿真结果表明1Hz的扰动信号在该控制器作用下衰减了-25dB。实验结果显示,在工作转速内,该控制器的相对误差小于0.20%。