传统卫星姿态控制系统一般是由多台控制力矩陀螺或飞轮组成,系统结构复杂、部件冗余重复,严重影响了姿控系统的重量、体积、功耗及成本。永磁球形电机是近年来出现的一种新型多自由度电磁装置,能够代替沉重复杂的机械传动结构实现转子的三自由度运动,在航天领域有着广阔的应用前景,但直接将其作为动量交换装置的相关研究还处于起步阶段。本文以球形电机为原始概念提出了一种结构简单、能量密度大、系统集成度高的新型多自由度动量交换装置,称作动量反应球,其采用分布式电磁场驱动转子,以实现三维动量交换。通过分析其电气方程和动力学方程可知,动量反应球是一个多输入多输出的强耦合非线性动力学系统,为提高系统的动态性能,采用了基于PD前馈的动力学解耦控制算法。对于姿态控制系统数学建模,考虑到动量反应球无框架结构限制,约束条件简单,采用矢量力学法建立了平行构型下的多动量反应球姿控系统的精确动力学模型,为简化计算,建立了虚拟框架坐标系。之后,利用系统雅可比矩阵研究了动量反应球的力矩特征,在倾角范围内,其输出力矩可充满三维空间,当倾角饱和时,系统陷入奇异状态。针对倾角饱和奇异问题,借鉴控制力矩陀螺奇异鲁棒操纵律设计方法,设计了最小冗余构型下带有零运动的广义伪逆操纵律。最后研究了卫星的大角度姿态机动控制。首先,对于单个动量反应球系统,设计了n级分步的欧拉轴Bang-Bang增量机动控制策略;对于双平行构型系统则采用反步控制法设计了非线性反馈控制律。之后,在MATLAB/Simulink环境下对系统进行了联合仿真,仿真结果验证了本文所提出的操纵律与控制律的有效性,证明了球形电机用于卫星姿态控制的可行性。本文研究成果为新型动量交换装置的研究提供了新的思路和参考。