陀螺飞轮是一种姿态控制与测量功能兼具的集成装置,适应了当今微小航天器对高集成度、轻小型化、低功耗的发展需求。通过调整飞轮的旋转速度和倾侧角度可以实现三自由度姿态控制力矩输出,通过利用力矩器电流等信息可以解算航天器两轴姿态角速度测量。然而,飞轮转子的动不平衡会引起周期振动和测量漂移误差,校正后的残余不平衡干扰力矩传递到基座上影响航天器及其载荷工作性能。因此,针对陀螺飞轮转子动不平衡带来的多频振动等系统工程实现中的关键技术问题,开展动不平衡辨识及主动振动控制方法实验研究,对陀螺飞轮力矩输出和姿态测量集成化实现意义重大。针对上述问题,本文对陀螺飞轮转子的动不平衡辨识、主动振动控制和陀螺信号去噪等关键问题进行深入研究,具体内容如下:首先,在建立参考坐标系和引入广义坐标的条件下,基于第二类拉格朗日方程推导考虑航天器姿态角速度下的完整陀螺飞轮动力学模型,并将其转化到适于表征的壳体坐标系,验证模型的正确性。同时,利用线性化理论推导零倾侧位置简化动力学模型。针对动不平衡引起的周期干扰力矩模型,分析不平衡激励与倾侧角间的关系。根据矢量力学和达朗贝尔原理建立质心偏移时的转子动力学模型,分析其在重力加速度激励下形成的干扰力矩,揭示陀螺飞轮动不平衡带来的多频振动特性。其次,针对各向异性条件下传统动平衡方法精度下降以及转子质心与支撑中心不重合带来的测量漂移问题,研究等效点支撑下陀螺飞轮的三维动不平衡辨识方法。考虑到各向异性刚度下实际运行轨迹并非正圆,特征矢量相角与不平衡激励相角呈非线性关系,基于能量等效原理和椭圆正进动分量构造了等效振矢,提出基于等效振矢和移相圆的改进全矢谱偶不平衡辨识方法。受陀螺飞轮全误差漂移误差模型的启发,利用轴向静不平衡量、重力加速度、力矩器电流、漂移误差系数之间的联系,给出基于多位置标定的轴向静不平衡辨识方法。然后,针对动平衡校正后陀螺飞轮残余不平衡引起航天器及其载荷周期振动问题,研究基于力矩补偿原理的主动振动控制方法。通过对各子部件的受力分析,揭示陀螺飞轮对航天器基座的振动力矩传递机理。为了保证航天器的工作性能,提出一种基于变步长LMS和滑模观测器的力矩器电流最小控制方法。考虑到模型参数摄动的影响,设计终端滑模观测器来估计转子的干扰力矩,通过对切换增益进行积分以减小控制信号的抖振现象。采用的变步长LMS算法能够自适应调节补偿器增益,解决空间环境应用时低振动传递需求。最后,基于陀螺飞轮样机搭建实验平台,并对上述研究成果进行综合实验研究。通过分析倾侧角和力矩器电流测试信号,验证样机转子动不平衡引起的多频振动特性。为了从含噪的弱非平稳测试信号中提取有效信息,采用自适应辅助噪声集合EMD方法对力矩器电流进行阈值去噪,使用迭代算法降低随机振动引起的EMD分解中位置敏感性误差,实现测试信号的有效重构。利用陀螺飞轮样机和两轴转台,验证本文提出的转子动不平衡辨识方法以及主动振动控制方法的有效性,结合离线和在线手段实现对陀螺飞轮的振动抑制。