本论文以航天器姿态控制应用为课题背景,分析了控制力矩陀螺(CMG)伺服系统中,飞轮子系统高转速下稳速精度要求高,框架低转速下速率精度和平稳性要求高的特点,对CMG伺服系统中飞轮子系统与框架伺服系统进行了相应的控制分析,并设计实现了锁相环稳速系统。首先,本论文建立了CMG飞轮子系统数学模型,分析对比了PID、积分分离法与锁相环(PLL)控制方法,结合PLL稳速系统的实现,进行了系统设计与仿真。仿真分析表明锁相环控制采用10状态鉴频检相器的控制性能显著优于3状态鉴频检相器锁相环。其次,基于Stribeck摩擦模型,分析了摩擦力矩对CMG系统框架控制的影响,对于两种低速性能的补偿方法——高频振颤补偿方法与锁相环低速调速控制方法进行了可行性与有效性分析。随后,本文设计实现了锁相环控制系统,以10状态流的专用锁相环芯片UC3633为核心,以TL494芯片实现PWM信号生成与限流,以CPLD—EPM7064S实现换向等逻辑控制。实际系统的运行实验验证了所设计的系统功能均良好实现。最后,依据飞轮稳速系统的设计参数,进行了飞轮系统的稳速实验,在试验的两个转速设置点,锁相环电路稳速精度优于0.1%。同时根据实验现象,提出了锁相环飞轮稳速控制系统实现的改进建议。