题目：三自由度永磁球形电机的转子姿态检测及其控制策略研究

球形电机是一种包含了欧几里得空间三个旋转自由度的一体化电机，它和常规的将三个单轴电机及相关的连接件组合起来形成的组合式三自由度旋转机构不同，不存在回程误差积累和动态响应差的固有缺点；它结构紧凑、精度高、具有运动的对称性、快速性和灵活性。本文以球形电机为研究对象，分别对其机构设计、姿态检测、建模、控制以及机构误差补偿等问题展开讨论。

首先，本文介绍了球形电机的基本工作原理，针对当前球形电机研究中遇到的转子和定子间接触摩擦力过大，三维姿态检测的实时性和准确性难以实现的困难，提出一种具有姿态检测功能的三自由度被动球关节的设计思想，从而有效解决了这些问题。在此基础之上，从驱动原理出发，完成了球形电机的转子结构设计、定子结构设计以及被动球关节设计，研制了两套具有转子姿态检测功能的三自由度球形电机样机。

其次，结合球形电机的结构特点，采用拉格朗日方程法建立了球形电机的动力学模型，并对其中的建模不确定性问题进行了讨论。论文借助有限元分析软件Ansoft，用数值方法分析了球形电机的磁场分布规律，并结合有限元分析结果和多项式拟合的数值方法，建立了球形电机的力矩模型。在此基础之上，针对球形电机力矩和电流之间的高冗余问题，设计了基于系统总体调配的两级电流优化算法，该方法能够为提高球电机的容错能力和系统资源的动态再分配能力提供一个有效的工具。

然后，针对球形电机的控制问题，提出将正弦波电流激励方法应用于球形电机自旋控制的步进控制策略，相对于传统的方波控制方法，该方法能够有效降低转子在低速旋转下的振动，提高转子运动的平稳性。在此基础之上，设计了球形电机的计算力矩控制算法以及自旋与倾斜解耦的控制策略，并提出了一种基于 流形的倾斜轨迹规划算法。针对球形电机的动力学模型存在非线性以及参数估计误差、负载、摩擦等各种不确定性问题影响特点，本文还设计了一种鲁棒自适应迭代学习控制算法，它可以在保证系统控制实时性的同时，补偿动力学参数估计不确定性以及各种外界干扰问题对控制精度的影响。

接下来，研究了球形电机的机构加工及装配误差补偿策略，设计了一种两级机械结构参数标定算法。第一级为运动学标定算法，它基于球形电机的运动学模型来辨识被动球关节中的机构加工及装配误差；第二级为永磁体和线圈位置矢量标定算法，它基于球形电机的力矩模型来辨识存在于永磁体和线圈位置矢量中的误差。仿真结果表明，该两级机构标定算法能够解决加工及装配误差问题影响，有效提高球形电机的控制精度。

最后，搭建了球形电机的实验系统，它包括电机样机、上位机和电流控制器。基于该实验系统，完成了电流控制实验，实现了稳定可靠的高精度驱动电流输出；针对姿态检测问题进行了测量系统实验，证明了被动球关节具有实时准确的三维姿态检测能力；分别完成了球形电机的自旋运动控制、两自由度倾斜运动控制、以及自旋加倾斜的三自由度运动控制实验。这些实验结果证明了本文球形电机结构和算法设计的正确性。