当前,我国高分辨率卫星迫切需要高性能、低功耗、长寿命的姿态控制执行机构。与传统滚珠轴承飞轮相比,磁悬浮飞轮由于采用磁轴承支承高速飞轮转子,具有阻尼可调、微振动、无摩擦、长寿命和控制力矩精度高等突出优点,是航天器实现快速响应和高精度姿态控制的理想解决方案。本文以实现磁悬浮飞轮高精度控制为研究目标,分别就飞轮工作模式设计、无刷直流电机换相转矩脉动抑制以及基于FPGA的控制系统设计与实现等关键问题展开研究。本论文的主要研究工作如下:(1)考虑磁悬浮飞轮在运行过程中受到的阻力矩干扰,分别对飞轮的速率模式和力矩模式进行控制律设计。首先,结合姿态控制系统对飞轮的性能要求,将速率模式中的速率回路和电流回路控制器均设计为PI控制器。然后,分析飞轮受到阻力矩干扰后,控制系统对阶跃速率指令的响应情况。以此为基础,针对传统的力矩控制模式忽略阻力矩干扰的问题,提出基于速率反馈的力矩控制模式来实现输出力矩对力矩指令的跟踪。同时,在速率回路引入模糊自适应PI控制器,进一步提高飞轮控制系统的动态特性和抗干扰能力。(2)针对磁悬浮飞轮无刷直流电机换相引起的转矩脉动,设计高低速区转矩脉动抑制策略。首先,对全转速范围内换相转矩波动特点进行分析,提出在低速区采用PWM-ON调制方式,而高速区采用重叠换相来抑制非换相电流和转矩跌落。同时,提出相电流预测控制策略,来解决重叠换相在不同转速下的延迟时间难以确定、易出现欠补偿或过补偿等问题。(3)为验证上述控制策略,设计了相应的软件控制系统和硬件控制系统。首先,设计了高频时钟发生器、数字PI控制器、高精度PWM发生器、变M/T测速算法和回路运算控制模块等软件模块。然后,分别设计了功率驱动电路和控制系统中的电流传感器电路、逻辑换相电路及线性能耗制动电路。最后,基于上述实验平台,对所设计的控制算法进行实验验证。