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随着现代对地观测小卫星对敏捷性要求越来越高，传统执行机构反作用飞轮、动量轮已经很难同时满足质量轻、功耗低、机动性强、控制精度高等要求，采用具有“力矩放大”的控制力矩陀螺作为对地观测敏捷小卫星的主执行机构已经成为发展的必然趋势。
本文针对500kg量级高分辨对地观测敏捷小卫星中使用的单框架控制力矩陀螺(SGCMG)，提出基于永磁同步电机(PMSM)直驱的方式设计出悬臂式SGCMG框架机构，开展了SGCMG框架伺服系统的设计与研究工作，提炼出框架伺服系统的技术指标要求。
首先，建立框架伺服系统中框架电机、干扰力矩以及传感器误差的数学模型，根据框架电机的伺服特性选择id=0矢量控制策略，建立了SGCMG框架角速度跟踪的数学模型，并在Matlab/Simulink中搭建基于PI控制的了框架伺服系统的速度跟踪仿真模型，详细地分析了综合干扰项对控制系统的性能影响
其次，系统地研究了自抗扰控制器的数学模型，通过数学仿真阐述了跟踪微分器、扩展状态观测器及非线性状态误差反馈控制律在ADRC中的功能与作用。提出“在ADRC的非线性状态误差反馈控制律中引入合适的非线性积分环节会进一步降低系统的静差”观点，并通过SGCMG框架伺服系统的数学仿真实验加以验证。从控制系统期望带宽的角度出发，研究出ADRC控制器参数设计的方法。
然后，结合自抗扰控制算法，分别设计出框架伺服系统速度环自抗扰控制器和位置环自抗扰控制器，并在Matlab/Simulink中搭建相应数学模型进行仿真分析。仿真结果表明:不论是在速度跟踪模式抑或是位置伺服模式下，采用自抗扰控制的框架伺服系统都能够实时观测系统中的综合扰动项并进行补偿，使得框架电机输出力矩更加合理，提高了系统的稳态性能。这也表明了ADRC算法是非常适合于SGCMG框架伺服系统这类多变量、强耦合、多干扰的非线性系统
最后，结合SGCMG框架伺服系统技术指标要求，完成了基于DSP+FPGA架构的系统软、硬的设计。为寻求最合适的伺服控制算法，验证系统设计的合理性，本文设计了一系列的速度跟踪和位置伺服实验。实验结果表明:当速度环采用积分反馈ADRC控制时，最大跟踪角速度不低于2.0rad/s，最大角加速度不低于2.0rad/s2，跟踪不同速度段的最差稳态精度约为0.01rad/s，优于满量程的1.0％，临界爬行速度为0.003rad/s，系统输出最小力矩0.015Nm，低于0.02Nm;当位置环采用ADRC伺服不同斜率的位置曲线时，位置最大指向偏差为0.01rad，低于0.015rad。本文所设计的SGCMG框架伺服系统的稳态精度高、输出力矩范围宽、鲁棒性强，满足技术指标要求。