随着现代工业制造的快速发展,能够实现多自由度精密运动的执行器在机器人、云台、卫星控制器等应用领域得到越来越多的重视。目前实现多自由度运动的执行机构通常采用单自由度电机与复杂传动装置的集成,存在结构冗余、动态性能差、可靠性低等缺点。在此背景下,考虑用多自由度球形电机代替单轴伺服电机,从执行器层面上解决上述缺点的方案,一直受到国内外专家学者的广泛关注。以工业应用为目的,在球形电机控制问题研究中,转矩模型和运动控制算法尤为重要。本文针对一种具有空芯线圈结构的永磁球形电机,从运动学与动力学、转矩模型、运动控制算法等三个方面开展研究,主要研究内容和创新点如下:1、从刚体旋转角度,定义了定子坐标系、转子坐标系和转子输出轴坐标系,从检测实际需要出发规定了旋转方式,确立了坐标系之间变换方式,推导了转子输出轴姿态矩阵和逆向运动学解算方法,为后续转矩建模中坐标系的确定和转换奠定基础;采用拉格朗日法建立了考虑复合不确定性永磁球形电机转子动力学模型,为运动控制算法研究打下基础。2、不失一般性地提出了一类采用空芯线圈永磁球形电机的欧拉角-电流-转矩模型,引用数据驱动思想,采用单任务和多任务高斯过程方法对转矩模型中与电机结构有关的转矩贡献因子进行了预测建模,采用适用于多维输入的核函数对模型进行训练,避免了常规球形电机研究中复杂的磁场分析计算。3、考虑训练数据的要求和获取难度,提出了基于Python脚本和ANSYS Maxwell自动化仿真方法。通过Python脚本自动调整仿真参数并控制仿真运行,提高获取训练数据效率,节约时间成本。实验结果证明了训练数据有效性和高斯过程预测模型准确性以及高斯过程方法在训练集容量上具有优越性。4、在考虑永磁球形电机动力学特性中若干不确定因素前提下,对球形电机自适应控制算法进行了研究。提出了针对模型不确定性的自适应控制算法,仿真分析证明了算法的有效性;将Lu Gre动态摩擦模型应用到多维球形电机动力学模型中(计及了电机运动时的摩擦影响);提出了基于摩擦观测器的自适应控制算法,通过仿真分析证明了该算法对摩擦补偿的有效性;,提出了基于动态面的鲁棒自适应滑模控制算法(考虑扰动的动力学模型下),引入一阶滤波器避免了微分爆炸,更好满足了实际控制器需求,仿真分析和实验证明了该算法的有效性。