姿态控制系统设计是现代卫星平台的一项关键技术。本文以三轴稳定卫星姿态控制为应用背景,研究了基于FPGA的姿态控制器与星载设备的串口通信以及控制器的硬件实现。采用四元数描述卫星姿态,建立卫星姿态运动学与动力学模型,采用星敏感器/陀螺作为测量元件,零动量飞轮作为执行机构。为便于对比研究基于FPGA的控制器的有效性,设计PID控制器,并进行闭环姿态控制系统的数学仿真。通过分析通用异步串行收发器的特点,根据串行协议的接口特性设计发送模块和接收模块,并进行ModelSim时序仿真,为将硬件控制器接入星载设备进行硬件在回路仿真做准备。将PID算法数字化,综合考虑运行速度和占用资源的平衡,设计了PID控制算法电路以及基于Booth算法的乘法器逻辑电路,基于Verilog HDL语言,采用状态机方法编写程序,实现基于FPGA的卫星姿态控制器的硬件设计,并与数学仿真结果进行对比研究,验证其有效性与可实现性。本文设计并实现了基于FPGA的PID控制器在卫星姿态控制系统硬件回路中的应用,为姿态控制系统的研究提供新的思路。