变速控制力矩陀螺(Variable Speed Control Moment Gyroscopes,VSCMG)结合了控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscopes,CMG)和飞轮(Fly Wheel,FW)两者的优点,输出力矩大且精度高。传统的机械支撑在一定程度上限制了转子的转速及寿命、精度、噪声等指标。采用磁悬浮支撑的VSCMG,具有长寿命、低功耗、微振动、低损耗、低噪音等优点,其转速可以更高,从而更好的发挥变速的优势。悬浮状态下的高速陀螺转子运动控制水平决定着输出力矩大小和精度,是关键技术所在。本文以MSVSCMG为研究对象,对陀螺转子的悬浮控制进行了重点研究,并对陀螺在卫星姿态控制中的应用作了探索研究。主要从建立动力学模型、设计控制算法、仿真和实验几个方面展开研究。首先,在转子受力分析基础上,建立了转子的能量方程,利用Lagrange第一定理推导出了整个陀螺系统的动力学模型。在解耦假设下简化动力学模型,得到了陀螺转子径向两自由度和轴向三自由度的动力学方程。区分陀螺工作状态,在轴向分别建立了转子的静止悬浮、加转速悬浮和框架转动悬浮三种状态的动力学方程。对影响转子悬浮控制的主要因素进行了分析。其次,重点研究了转子悬浮的线性控制方法。在根轨迹、Bode图、阶跃响应、稳定裕度等分析的基础上,分别针对径向单自由度悬浮和轴向三自由度悬浮的控制对象设计了相应的两级PD控制器。闭环控制系统数值仿真证明了控制器的有效性。对高速转子引入交叉反馈控制后的系统刚度和阻尼进行了研究,结果表明加入交叉反馈后系统控制品质有提升。以某MSVSCMG陀螺房磁轴承系统为对象,开展了实验研究,结果表明所提控制器能够实现稳定悬浮。研究了两种鲁棒控制方法。针对转子径向单自由度悬浮研究了混合灵敏度H?控制,对转子轴向三自由度的悬浮研究了状态反馈H?控制。在设计H?控制器的过程中考虑了系统的不确定性,对所设计的控制器进行了仿真验证,并将得到的仿真结果与采用两级PD控制的仿真结果进行了对比分析,凸显出了H?控制的优越性。最后,对MSVSCMG的应用进行了研究。以动态扫描成像卫星的典型机动任务为背景,研究了金字塔构型的VSCMGs作为卫星姿态控制执行机构的具体操作。从星体动力学方程出发,结合星体的机动任务设计了相应的姿态机动控制律,再根据控制律输出的指令力矩设计了执行机构的操纵律。通过数值仿真,验证了所设计控制方案的可行性。