本书从结构设计、磁场与力矩建模、转子姿态检测、运动控制等多个层面，系统介绍了三自由度永磁球形电动机的统一理论、研究体系与方法，是编者团队十多年研究成果的提炼和总结。 球形电动机面世几十年来，由于研究工作者遵循各自的研究对象与方法，导致球形电动机理论研究缺乏系统性。本书在回顾球形电动机主要研究内容及基础核心问题的基础上，以几种规格、拓扑结构样机的研究内容为主线，按照理论分析、仿真对比、实验验证的思路，论述了球形电动机研究的理论体系及方法。 本书适用于从事电机设计、电机电磁场分析、特种电机及电机控制等研究方向的博士与硕士研究生，以及电机工程和相关领域的科研人员。

前言
第1章绪论1
1.1球形电动机概述1
1.2国内外关于球形电动机的研究发展2
1.2.1球形电动机拓扑结构的研究发展2
1.2.2球形电动机姿态检测的研究发展16
1.2.3球形电动机运动控制策略的研究发展24
第2章永磁球形电动机的基本结构与优化设计28
2.1永磁球形电动机的基本结构与参数28
2.1.1采用圆柱形永磁体的球形电动机28
2.1.2采用台阶式永磁体的球形电动机30
2.1.3采用Halbach阵列永磁体的球形电动机30
2.2永磁球形电动机单定转子磁极对矩角特性建模31
2.2.1样本数据选择31
2.2.2基于BP神经网络的单定转子磁极对矩角特性建模32
2.2.3基于遗传算法优化的BP神经网络单定转子磁极对矩角特性建模35
2.2.4基于粒子群优化算法的BP神经网络单定转子磁极对矩角特性建模37
2.3永磁球形电动机结构参数优化39
2.3.1以单定转子磁极对输出转矩最大为目标的结构参数优化40
2.3.2以输出转矩最大、线圈功耗最小为目标的结构参数优化42
2.4本章小结48
第3章球形电动机磁场模型与力矩模型49
3.1永磁球形电动机的磁场模型49
3.1.1基于等效面电流的磁场模型50
3.1.2基于球谐函数的磁场模型61
3.1.3基于等效磁网络法的磁场模型67
3.2永磁球形电动机的力矩模型74
3.2.1基于洛伦兹力的力矩模型74
3.2.2基于转矩线性叠加的力矩模型85
3.2.3基于数据驱动的力矩预测模型88
3.3本章小结103
第4章永磁球形电动机的转子姿态检测105
4.1基于MEMS的转子姿态检测105
4.1.1基于MEMS的转子姿态检测系统构成107
4.1.2MEMS数据采集与误差处理108
4.1.3基于MEMS的转子姿态检测实验112
4.1.4基于MEMS的转子姿态检测的优缺点115
4.2基于机器视觉的转子姿态检测116
4.2.1基于高速摄像机和光学特征点的转子姿态检测系统构成117
4.2.2基于高速摄像机和光学特征点的转子姿态检测原理118
4.2.3基于高速摄像机和光学特征点的转子姿态检测实验125
4.2.4基于IFDSST算法的转子姿态检测系统构成136
4.2.5基于IFDSST算法的转子姿态检测原理137
4.2.6基于IFDSST算法的转子姿态检测实验142
4.2.7基于OpenMV的转子姿态检测系统构成150
4.2.8基于OpenMV的转子姿态检测原理151
4.2.9基于OpenMV的转子姿态检测实验156
4.2.10基于图像处理的转子姿态检测的优缺点159
4.3基于光学传感器的转子姿态检测160
4.3.1基于双光学传感器的转子姿态检测系统构成160
4.3.2基于双光学传感器的转子姿态检测系统原理162
4.3.3基于双光学传感器的转子姿态检测实验165
4.3.4基于单光学传感器的转子姿态检测方法169
4.3.5基于三光学传感器的永磁球形电动机转子姿态检测系统172
4.3.6基于光学传感器的球形电动机转子姿态检测方法的优缺点177
4.4转子姿态的磁敏检测方法178
4.4.1转子姿态磁敏检测方法的基本原理178
4.4.2球形电动机转子姿态解算原理与仿真分析181
4.4.3转子姿态磁敏检测实验185
4.4.4系统误差仿真分析186
4.4.5转子姿态磁敏检测方法的优缺点190
4.5本章小结191
第5章永磁球形电动机的运动控制192
5.1运动学分析192
5.1.1坐标系与旋转方式192
5.1.2正向运动学分析194
5.1.3逆向运动学分析196
5.2动力学分析197
5.2.1欧拉角速度与转子角速度197
5.2.2永磁球形电动机转子动力学模型198
5.2.3永磁球形电动机转子动力学模型的典型性质200
5.3永磁球形电动机的驱动电流求解201
5.3.1广义逆矩阵求解驱动电流201
5.3.2优化算法逆向求解驱动电流202
5.4永磁球形电动机的运动控制算法206
5.4.1基于名义模型的永磁球形电动机PD控制算法207
5.4.2考虑模型不确定性的永磁球形电动机自适应控制算法209
5.4.3考虑复合干扰的永磁球形电动机全阶滑模控制213
5.4.4基于自适应干扰观测器的永磁球形电动机终端滑模控制222
5.4.5带有延时补偿的永磁球形电动机自适应滑模轨迹跟踪控制233
5.4.6基于轨迹再规划的永磁球形电动机闭环控制239
5.5永磁球形电动机的运动控制系统测试平台244
5.6本章小结250
参考文献251