随着现代工业技术的发展,磁悬浮技术和多自由度运动机构受到了越来越多的关注。复合式磁悬浮球形主动关节是一种新型的特种电机,可以在单关节结构的情况下实现沿任意方向旋转的多自由度转动,避免了机械摩擦和磨损且无须润滑,具有广阔的应用前景。球形关节转子的位姿检测精度直接决定了系统的控制精准性,也是目前制约球形电机发展的重要环节。本文根据复合式磁悬浮球形主动关节的结构和运动特点,提出了一种基于光学测量的非接触式检测技术。分别在球形转子和定子上布置环形光源和硅光电池阵列,转子带动环形光源偏转导致硅光电池阵列上光斑面积发生变化,从而影响输出电流。建立了短路电流与球形转子位姿角的数学模型,通过检测由转子姿态变化而导致的环形硅光电池阵列输出电流的变化来检测球形位姿角。本文的研究内容如下:(1)介绍了复合式磁悬浮球形关节的整体结构,并对构成球形关节电机的悬浮偏转驱动结构和主轴结构进行了详细说明,提出了球形关节电机的旋转和悬浮原理,并以此为纽带建立了相应电磁转矩、电磁悬浮力、电磁拉力的数学模型;(2)设计了磁悬浮球形关节的光学测量装置,对光学测量元件原理进行阐述,并据此建立了球形转子位姿角检测算法,旨在通过检测硅光电池短路电流信息解算得到球形转子的位姿信息;(3)对硅光电池进行选型,并基于DSP开发平台和MATLAB程序,进行磁悬浮球形主动关节转子位姿检测系统硬件选型和软件设计;(4)搭建磁悬浮球球形主动关节转子位姿检测实验平台,设计并加工复合式磁悬浮球形主动关节位姿检测系统样机。进行了位姿检测实验并进行误差分析,实验表明,位姿检测系统测得的姿态角的误差控制在±0.45、之间,能够满足球形电机位姿检测的精度要求。