随着工业自动化的高速发展,越来越多的场合需要实现多个自由度运动,如机器人球眼、全景摄像云台、全方位仿生运动的球形关节、雷达等。由多个一维运行机构组合驱动实现多自由度运行的方式,存在机构复杂、运动装置体积庞大、动态响应性能差等缺点。因此,可以进行空间定点运动的球电机应用而生。球角度测量(球形转子位置检测技术)作为运动控制的反馈环节,是实现精确空间定点运动的关键技术之一。虽然可以通过多个一维角度测量组合检测实现。但是检测装置机构庞大,多个传感器组合检测造成较大的系统误差等同样问题的出现,以及随着各种机械装置小型化、集成化的发展趋势,可以实现多自由度运行机构角度复合检测的方法成为当前研究的热点。因此,本文在现有时栅位移传感技术研究的基础上,开展了球角度复合检测方法的研究。研究的主要内容及实现的成果如下:(1)在综合分析当前多自由运动位置检测各种方法的基础上,对球角度复合检测方法进行了深入研究。提出了基于时栅传感技术的三维空间角度复合检测的方法。结合时栅传感技术与球体的特殊结构,对球角度测量模型进行了结构设计。通过多频励磁的方式形成了空间耦合场,采用以频率为区分方式解决耦合场的解耦问题,形成了三个相互垂直的绕坐标轴旋转的匀速运动坐标系。(2)根据多自由度运动的特点,将球角度转换为各轴面的转角进行测量。通过解耦后到各个坐标轴面相对匀速运动的旋转磁场,建立起了时栅技术中用于测量的双坐标系,以此实现了各轴面的位移调制。(3)对球角度复合测量方法进行了仿真实验研究。基于有限元仿真软件,建立了球角测量模型并进行了磁场仿真,得到了被测轴面转角与含有位移调制信息的输出信号间的特性曲线。并对测量误差进行了定量分析。验证了球角度测量方法的正确性和可行性。(4)在时栅信号处理系统的基础上,对其关键环节的信号电路进行了设计。包括激励信号产生电路,感应信号提取电路。(5)搭建了实验平台,进行了感应无倾角下的单频单轴、感应有倾角下多频单轴角度测量实验。综上所述,本文从理论分析、模型仿真和实验验证三个方面对基于时栅技术的球角度测量方法进行了研究。充分证明了本文所提出的球角度测量方法的可行性。