随着智能化运动驱动装置的不断创新和发展,可于狭小空间内实现具有多个自由度的运动受到人们的广泛关注。采用多台电机实现多自由度运动需要依赖从动机构进行组合连接,而由多自由度电动机作为主动机构进行直接驱动,可避免中间传动装置所带来的设备体积庞大、非线性耦合强、运动精度偏低等诸多不利因素。为了解决三维空间中多自由度电机传动精度较低、运动控制较差等问题,提出一种混合驱动式的三自由度电机,由自转型电动模块和偏转型电动模块构成,各采用一套控制电路进行单独控制,避免了相互之间的电磁耦合,从而简化了控制机理,能够实现高速平稳的单自由度自转运动和连续精准的二自由度倾斜操作,通过两类模块的协同控制下,可使电机围绕其静平衡位置处做各式各样的三自由度运动。本文主要研究工作具体如下:1)介绍了该混合驱动式电机的基本结构,分为自转和偏转两类驱动模块,可分别独立运行,实现电机的高速旋转和精准倾斜;也可同步运转,实现电机在空间内的三自由度运动。2)利用Halbach阵列强力聚磁的作用与磁路屏蔽的效果,对电机自转永磁体磁场特性进行优化与完善。结合电机的有限元结构,在静态磁场下了分析了自转与偏转模块的磁场分布规律,通过在特定的边界条件下求解拉普拉斯方程,建立了磁场解析法模型。将有限元法的计算结果与解析法的推导结果进行比对,相互验证了所建立解析法模型的正确性和有限元模型的准确性。3)为了综合衡量电机的性能指标,在永磁体不同充磁方式下,对电机的定子铁芯损耗、绕组铜损耗和永磁体涡流损耗进行了有限元计算,可以得出在电机运行输出功率一定的情况下,Halbach阵列充磁下电机损耗数值较小的结论。同时,将计算所得损耗作为热源,在磁-热-固的多物理场下对电机的温升效应和应力形变进行了分析。采用虚位移法分别求解了电机的自转转矩和偏转转矩,并对输出转矩的空间分布特性进行了分析。结果表明:线圈电流在合理的范围内,电机具有良好的转矩特性。4)基于动力学仿真软件ADAMS建立了电机的虚拟样机模型,通过添加运动约束,规划了电机对应自转运行和偏转操作的控制策略,实现虚拟样机技术的运动学仿真。在单独实现自转运动时,设定了刚体系统和在刚-柔耦合系统下的运行模式;在单独实现偏转操作时,设计了沿轴线偏转和多角度倾斜的运动方式,验证了两类驱动模块可独立运行的合理性和正确性。5)对电机转子部分的旋转坐标转换和拉格朗日第二类方程的推导,得到混合驱动式电机的动力学数学模型。通过施加外部载荷,规划了转子轴的运转轨迹,从而实现了电机由静平衡位置下做三自由度运动的动力学仿真,并使其兼备了自转运动的平稳性和偏转操作的精准性。进一步说明了该电机结构适用于协同控制的可行性,为后续的轨迹跟踪控制提供了依据。6)基于联合仿真平台的搭建,由ADAMS软件导出被控对象,在MATLAB软件中设计控制系统。针对非线性、强耦合的动力学系统,选择滑模控制作为研究电机转子轴轨迹跟踪的动态控制算法。通过结合电机的动力学模型,编写S函数完成控制器的设计。仿真结果表明:联合仿真接口和滑模控制算法可较好地实现了混合驱动式电机的轨迹跟踪。