2011年,我国已经将单框架控制力矩陀螺(SGCMG)成功运用在“天宫一号”目标飞行器上,未来会进一步运用于我国的空间实验室和空间站项目。鉴于SGCMG框架伺服系统在航天器平台上会受到各类扰动,其伺服控制性能也会受到影响。本论文围绕SGCMG框架伺服系统的干扰分析与控制策略优化设计展开研究,主要研究工作有以下四个方面:本文简要分析了陀螺的定轴性、进动性以及反力矩效应三类特性,研究了三类特性在SGCMG工作原理和干扰中扮演的角色。合理选择表贴式永磁同步电机(PMSM)为框架伺服系统的执行机构,并建立PMSM相关数学模型,构造基于空间矢量脉宽调制控制的框架伺服系统。本文开展了SGCMG框架伺服系统控制性能的扰动分析,主要有航天器传递到框架上的低频干扰、陀螺转子不平衡振动产生的高频干扰、框架轴承摩擦、电机本体的力矩波动以及伺服控制器的各类误差。设计滑模扰动观测器对低频干扰力矩进行干扰观测并进行了仿真分析。针对高速转子因不平衡振动产生的高频力矩干扰建模分析。完成框架轴承摩擦建模分析。本文开展了SGCMG框架伺服系统控制优化策略的研究,采用前馈补偿策略,设计了一种基于速度及加速度前馈补偿和摩擦前馈补偿的控制系统,提升了系统的响应频率、跟踪精度和抗干扰能力。为了进一步强化控制性能,采用反步法和滑模控制策略来设计控制系统,设计中加入了时变项、开关自适应增益和扰动观测以增强控制器的鲁棒性。针对两种控制策略中涉及的惯量进行参数辨识。通过仿真对比实验依次分析以上策略的有效性。本文针对伺服控制器的各类误差完成框架伺服控制器的硬件设计、软件设计、上位机操作软件设计并加以实现。基于控制器搭建实验平台,在平台上进行PI控制策略和反步时变滑模控制策略的对比实验,并分析控制策略的伺服控制性能。