本书围绕巡检机器人设计与永磁同步电机(PMSM)驱动控制系统关键技术，构建“理论-设计-实现-验证”完整体系。全书共8章：首先梳理领域发展现状与技术痛点，明确研究路线，然后重点阐述机器人总体方案及升降机构、机架等关键机构的设计、建模与仿真优化，随后聚焦PMSM 矢量控制系统的数学建模、双闭环设计、参数整定及软硬件实现，最后通过实验与虚拟仿真验证系统合理性。各章层层递进，形成“结构设计为载体、驱动控制为核心、实验验证为支撑”的逻辑闭环。
本书聚焦工程落地，融合机构设计与电机控制技术，采用STM32F446RE主控芯片、SVPWM 最新技术方案，通过仿真和实验双重验证技术可靠性，填补巡检机器人驱动控制一体化设计的实用化参考空白，兼具理论创新性与工程指导性。
本书可作为机械工程、电气工程及自动化等领域的研究人员、工程技术人员以及高校师生的参考用书。

无

1 绪论001
1.1 研究背景及意义002
1.2 巡检机器人的发展及应用002
1.2.1 巡检机器人的结构003
1.2.2 巡检机器人的发展历程及现状004
1.2.3 巡检机器人的技术特点011
1.2.4 巡检机器人的应用场景012
1.2.5 PMSM 驱动控制系统在巡检机器人领域的应用现状013
1.2.6 PMSM 驱动控制系统的发展及应用013
1.2.7 驱动电机的应用现状014
1.2.8 PMSM 控制系统应用现状015
1.2.9 PMSM 矢量控制系统现状016
1.3 现有研究存在的不足019
1.4 本书研究目的与内容019
1.4.1 研究目的019
1.4.2 研究内容020
1.5 研究方法与技术路线020
1.5.1 研究方法020
1.5.2 技术路线021
1.6 本章小结021

2 巡检机器人总体方案设计022
2.1 总体设计要求023
2.2 轨道总体方案选择024
2.3 升降方案选择025
2.3.1 各类升降方案介绍025
2.3.2 双摇杆升降机构027
2.4 机架结构方案选择028
2.4.1 机架结构选择028
2.4.2 机架设计方案选择029
2.5 驱动系统设计方案选择030
2.5.1 行走机构方案选择030
2.5.2 传动机构方案选择032
2.6 本章小结033

3 巡检机器人关键机构设计与实现035
3.1 巡检机器人升降机构设计036
3.1.1 升降机构运动学分析036
3.1.2 位姿正解分析037
3.1.3 位姿逆解分析038
3.1.4 速度与加速度分析038
3.1.5 升降机构建模040
3.1.6 升降机构电机选型042
3.1.7 升降机构有限元分析043
3.2 巡检机器人机架结构设计048
3.2.1 机架建模048
3.2.2 龙骨结构初始模型048
3.2.3 龙骨多目标尺寸分析052
3.3 巡检机器人驱动系统设计061
3.3.1 驱动系统三维建模061
3.3.2 运行过程分析062
3.3.3 巡检机器人驱动电机选型计算068
3.3.4 轴的设计071
3.3.5 传动系统其他零部件选型080
3.4 巡检机器人总体结构083
3.5 本章小结083

4 PMSM 矢量控制系统方案设计与仿真分析085
4.1 变电站轨道式巡检机器人PMSM 选型086
4.2 表贴式57BL115S21-230TF9 的数学模型087
4.2.1 表贴式57BL115S21-230TF9 的结构与工作原理087
4.2.2 自然坐标系下表贴式57BL115S21-230TF9 的基本数学模型088
4.2.3 Clark 坐标变换与Park 坐标变换091
4.2.4 同步旋转坐标系下表贴式57BL115S21-230TF9的数学模型093
4.3 三相电压逆变器SVPWM 技术094
4.3.1 电压空间矢量扇区划分095
4.3.2 电压空间矢量扇区判断097
4.3.3 电压空间矢量作用时间计算098
4.3.4 电压空间矢量切换顺序及切换时间点计算100
4.4 PMSM 速度-电流双闭环矢量控制系统方案设计102
4.4.1 矢量控制策略选择102
4.4.2 控制环设计103
4.5 PI 控制器参数整定104
4.5.1 电流控制环PI 控制器参数整定105
4.5.2 速度控制环PI 控制器参数整定107
4.6 仿真分析109
4.6.1 仿真模型建立109
4.6.2 仿真结果分析111
4.7 本章小结116

5 PMSM 矢量控制系统设计118
5.1 PMSM 矢量控制系统硬件电路设计119
5.1.1 PMSM 矢量控制系统硬件电路的总体方案设计119
5.1.2 STM32F446RE 主控芯片相关电路122
5.1.3 DRV8301 芯片相关电路125
5.1.4 三相电压逆变器相关电路129
5.1.5 SH1106 OLED 显示屏相关电路132
5.2 PMSM 矢量控制系统软件程序设计134
5.2.1 总体程序流程与架构134
5.2.2 PWM 配置程序135
5.2.3 DRV8301 配置程序137
5.2.4 ADC 相关程序139
5.2.5 霍尔传感器相关程序144
5.2.6 矢量控制算法147
5.3 本章小结155

6 实验平台搭建及测试分析156
6.1 实验平台搭建157
6.1.1 实验器材及测量仪器157
6.1.2 实验器材的连接158
6.2 实验方案设计159
6.2.1 实验相关要求159
6.2.2 实验方案流程160
6.3 实验过程与结果分析161
6.3.1 PMSM 空载实验161
6.3.2 PMSM 带载实验164
6.4 本章小结171

7 巡检机器人虚拟仿真分析173
7.1 理论基础174
7.2 虚拟仿真模型建立175
7.2.1 材料施加176
7.2.2 约束建立176
7.3 虚拟仿真分析178
7.3.1 水平轨道行驶分析178
7.3.2 爬坡轨道行驶分析180
7.4 本章小结181

8 总结与展望182

参考文献185

随着工业4.0 浪潮的推进与智能制造的深度转型，智能巡检作为保障工业系统安全稳定运行的核心环节，正逐步替代传统人工巡检模式，成为电力、化工、轨道交通等关键领域的刚需装备。当前，全球巡检机器人技术呈现出“小型化、智能化、协同化”的发展趋势，国内相关研究虽取得显著进展，但在复杂工况适应性、结构与控制一体化设计、低速运行稳定性等方面仍存在短板。研发兼具可靠结构与高性能驱动控制的巡检装备，已成为推动智能巡检技术工业化落地的关键突破口，具有重要的产业价值与应用前景。
本书采用“理论梳理-方案设计-技术实现-验证优化”的递进式写作逻辑，各章节内容紧密关联、层层深入，形成完整的技术研究体系。本书主要内容包括：巡检机器人总体方案设计、巡检机器人关键机构设计与实现、PMSM 矢量控制系统方案设计与仿真分析、PMSM 矢量控制系统设计、实验平台搭建及测试分析、巡检机器人虚拟仿真分析。
本书的写作特色主要体现在三个方面：一是聚焦工程实用导向，所有技术方案均基于实际应用需求设计，兼顾理论深度与落地可行性，提供了详细的设计参数、计算过程与实验数据，便于读者直接参考应用；二是强化技术融合创新，将机器人结构设计与电机驱动控制技术深度融合，突破传统研究中结构与控制脱节的瓶颈，提升系统整体性能；三是采用仿真+实验双重验证模式，通过MATLAB 仿真与实物实验相结合的方式，全面验证技术方案的合理性与可靠性，确保研究成果的科学性。
感谢课题组的各位同仁、同学一起并肩作战，共同攻克技术难题，他们的宝贵意见与无私帮助，为本书的顺利完成提供了重要支撑。此外，还要感谢国内外相关领域的学者与专家，本书的研究工作借鉴了诸多前辈的研究成果，正是站在巨人的肩膀上，本研究才得以不断推进与完善。最后，衷心感谢我的家人与朋友，他们的理解、支持与鼓励，给了我陈述个人观点和见解的勇气。
巡检机器人与PMSM 驱动控制领域的技术正处于快速发展阶段，新理论、新技术不断涌现。由于著者学识水平有限，加之编写时间仓促，本书中难免存在疏漏与不足，恳请广大读者批评指正，以期在后续的研究中不断完善，为推动智能巡检技术的发展贡献更多力量。

著者