随着IC、3C产业的快速发展,对机器人精度、速度和效率提出越来越高的要求,传统机器人采用“旋转电机+减速器”的结构已经难以满足要求。目前,国内外采用DD马达直驱的一体化关节结构来实现机器人高速、高精、高动态的性能,但其只能实现单关节的单自由度驱动,无法实现单关节多自由度高精度驱动。因此,本文提出面向机器人关节的球形电机新结构实现单关节多自由度运动与控制,重点从电机结构、磁场设计和控制方法三个方面优化球形电机,实现机器人关节高速高精高动态特性。首先,针对机器人关节转矩体积比大的特点,采用HALBACH永磁阵列分布的方式,并从磁场优化角度,分析了永磁体宽度、永磁体厚度、槽深、槽宽、气隙对转矩、转矩波动、悬浮力、齿槽转矩、反电势谐波畸变率等的影响,得到优化的球形电机各个电磁参数和几何参数。其次,针对机器人关节球形电机的复杂耦合模型,基于模块化思想,对悬浮力和转矩进行解耦,实现了悬浮力和空间转矩的解耦,并建立了悬浮方向和空间旋转驱动方向的动力学模型,从而实现空间解耦控制。然后,针对球形电机在旋转方向的易干扰性,对单元驱动模块设计了基于指数趋近律的滑模变结构控制算法来提高其鲁棒特性。为了改善悬浮方向的动态响应、稳定性和抗干扰能力设计了基于Terminal滑模控制方法,并对其进行动态跟踪响应仿真研究。最后,在此基础上,搭建了以TMS320F28335为主控芯片的球形电机控制系统,提出了基于该主控芯片的无传感器软件设计方案,主要对绕Z轴给定角度位置定位进行了测试实验,验证了球形电机的运动特性。