反作用飞轮作为卫星姿态控制系统的执行机构,具有控制精度高、燃料消耗少、使用灵活性大等特点。反作用飞轮利用加速或减速时产生的反作用力矩控制卫星姿态,其输出的反作用力矩中往往存在非理想电磁力矩,这些非理想电磁力矩对卫星姿态产生干扰,有必要从反作用飞轮的电机本体设计和控制角度加以抑制。另一方面,反作用飞轮非理想电磁力矩的测量是检验其抑制效果的手段。由于反作用飞轮无外伸转轴且输出力矩量级小,其力矩测量存在困难,有必要对反作用飞轮的力矩测量方法进行研究。反作用飞轮非理想电磁力矩抑制及其测量方法研究对于提高和检验反作用飞轮的力矩特性具有重要意义。反作用飞轮的非理想电磁力矩包括波动力矩和跳动力矩,本文建立了考虑反作用飞轮存在动态力矩的卫星姿态控制系统模型,通过仿真分析定量地描述了非理想电磁力矩对卫星姿态的影响。分析结果表明,波动力矩使卫星姿态发生同频率波动,波动频率较低且波动系数较大时,波动力矩对卫星姿态的影响较大;跳动力矩使卫星姿态发生偏差,最大偏差随力矩跳动幅值和跳动时间的增加而增加;当卫星姿态控制精度要求较高时,反作用飞轮非理想电磁力矩的影响不容忽视。为了抑制反作用飞轮的波动力矩,本文通过有限元方法分析了磁极极距和气隙不同时磁极充磁方式对气隙磁密的影响,比较了不同磁极拼接个数及拼接角度时反作用飞轮的气隙磁密分布。分析结果表明,较少奇数块磁极拼接方案有利于改善反作用飞轮的气隙磁密。合理地选择了磁极拼接个数和拼接角度,在不改变绕组结构及驱动方式的前提下,磁极拼接方案使反作用飞轮的力矩波动系数下降了约5%。针对反作用飞轮跳动力矩的抑制,本文通过在现有的反作用飞轮力矩控制电路中构建能耗制动回路,实现了能耗制动和反接制动的联合制动方法,同时改进了四象限运行的控制方案,从原理上抑制了反作用飞轮转速过零时的跳动力矩。通过反作用飞轮四象限运行的实验结果验证了改进方案的有效性。针对反作用飞轮力矩测量困难的问题,提出了基于无铁芯力矩器的力矩平衡式反作用飞轮力矩测量系统,在测量系统总体设计的基础上,围绕着位置传感器的选择与设计、力矩器的磁极设计和绕组设计、系统的转子方案选择等问题进行了研究。针对动线圈方案和动铁芯方案这两种转子方案,采用仿真分析的方法,对比了理想情况下、考虑测量噪声和反馈环节分辨力时两种方案的系统响应。分析结果表明,动线圈方案时,系统的力矩响应对噪声和反馈环节分辨力的敏感度较低,更适合于力矩测量系统。提出的力矩测量系统的测量范围为[-0.5N?m,0.5N?m],分辨率为0.126%,精度为±1.494%,适合反作用飞轮小量级力矩的测量。为了改善力矩测量系统的动态特性,研究了基于干扰观测器的力矩测量控制系统设计。建立了基于干扰观测器的力矩测量系统模型,针对位置环控制器的设计,基于传统恒值调节系统综合方法,对位置响应闭环扰动传递函数的确定方法进行了改进。在双闭环控制系统的基础上,设计了干扰观测器并提出了近似设计方法。仿真分析和实验结果表明,干扰观测器能够有效地提高位置响应的抗扰性能,改善系统的动态特性,同时力矩测量系统能够测量反作用飞轮的波动力矩和跳动力矩等动态力矩。