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永磁球形电动机是一种新型的多维电动机,具有结构简单、重量轻、体积小、控制相对简单等特点,在完成三维空间运动方面,相比传统的电动机,可以有效的简化结构的复杂性,提高系统的动静态性能。本论文在系统分析多自由度电动机的发展现状与趋势的基础上,对一种新型的三自由度永磁球形电动机进行了分析和研究,建立并提出了适合于该电动机的动力学模型,分析了基于旋转编码器的滑轨结构的三自由度位置检测装置,在建立的完整的永磁球形电动机动力学模型的基础上,采用PD控制策略对基于位置检测的反馈控制策略进行了仿真验证。本文主要具体工作包括以下几个方面：(1)分析了一种三自由度永磁球形电动机,对它的结构、转矩和运动特性进行了分析。永磁球形电动机定子磁极由两层共24个空芯线圈组成,转子磁极由四层共40个永磁体组成。对单对定转子磁极间相互作用的磁场力进行分析,进而拟合得到单对定转子磁极间转矩和角度之间的关系,结合永磁球形电动机的定转子位置参数得出整个电动机合成转矩的表达式。(2)求解了单刚体的运动学模型,对三维旋转坐标的变换做了阐述,依次对三个轴旋转得到转子坐标系和定子坐标系的转换关系,验证了X-Y-Z欧拉角更适合于球形电动机转子位置的描述。根据单刚体的运动学模型提出两种基于旋转编码器的带滑轨支架的检测装置,对工和Ⅱ类滑轨结构都给出了正向与逆向的运动学分析,为采用滑轨支架结构进行三自由度实时位置检测提供了理论基础。(3)分析了Ⅰ和Ⅱ类带滑轨支架的球形电动机转子位置和编码器输出的关系,对其进行转子位置检测的仿真,分别从单自由度、两自由度、三自由度三个方面举例分析并仿真,对连续运动中滑轨支架的检测装置上旋转编码器输出进行了分析,比较了两种滑轨结构的异同点,还仿真得到永磁球形电动机转动后旋转矩阵T的变化以及转动后永磁球形电动机转子在定子坐标系中的空间位置。(4)对永磁球形电动机磁场、转矩和线圈中电流的关系进行了分析,求解出永磁球形电动机的动力学模型,用Matlab对永磁球形电动机动力学建模,建立了永磁球形电动机基于PD控制的运动控制系统,得出关于位置的反馈闭环系统,对永磁球形电动机转动中三个轴上的位置跟踪、位置的跟踪误差和控制转矩的变化进行了研究,分析了测量延迟对PD系统的影响,为以后球形电动机的深入研究提供了基础本论文的研究工作得到国家自然基金项目“三自由度永磁球形电动机若干关键问题的深入研究”(51177001)、国家自然基金项目“基于虚拟样机建模的永磁球形电机自适应反演协同控制研究”(51307001)、安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目“三自由度永磁球形电机伺服控制系统的研究”(KJ2013A012)、安徽省教育厅自然科学研究重点项目“多自由度永磁球形电动机结构优化及位置检测研究”(1308085QE82)的共同资助。