永磁同步电机具有体积小、效率高、转矩惯量比高和可靠性强等优点,如今被广泛应用于航空航天、新能源汽车、高精伺服系统、轨道交通牵引系统等领域。传统的永磁同步电机控制策略矢量控制和直接转矩控制,依赖离线调节的PI控制器,难以满足高实时性和高性能要求的场合。近年来,随着电力电子技术、控制理论的快速发展,模型预测控制理论与高频电力电子器件相结合,在交流电机传动领域得到了广泛的研究。本文首先分析了模型预测控制的原理,并分别研究有限集模型预测控制和连续集模型预测控制。其中有限集模型预测控制相比于连续集模型预测控制,虽稳态性能较低,但具有结构简单、动态响应快、计算量小等优点。本文基于永磁同步电机的数学模型,从代价函数构造以及预测模型等几个方面研究了有限集模型预测转矩控制。然而,传统的永磁同步电机有限集模型预测转矩控制存在高转矩脉动、高电流谐波分量等问题,为了解决这些问题,本文研究了基于虚拟电压矢量的模型预测控制。通过采用虚拟电压矢量模型预测控制,借助离散空间矢量调制技术,能够将最优的虚拟电压矢量的开关状态输出,在提高了永磁同步电机的控制性能的同时减少模型预测控制的计算量。其次,为进一步提高永磁同步电机系统的性能,本文提出了两种改进的多步寻优控制策略:固定半径多步寻优模型预测转矩控制（Fixed-Radius Multi-Step Model Predictive Torque Control Optimization,MS-MPTC1）和可变半径多步寻优模型预测转矩控制（Variable-Radius Multi-Step Model Predictive Torque Control Optimization,MS-MPTC2）。一方面,MS-MPTC1通过将最优电压矢量范围缩小到一个扇区来降低计算负担。另外,MS-MPTC1基于参考矢量的位置,在仿真平台中讨论虚拟半径的值,虚拟半径最终的取值适用永磁同步电机驱动系统的所有工况。另一方面,MS-MPTC2根据永磁同步电机系统特性,分析电压矢量幅值与转矩的关系,将电压矢量六边形划分为三个区域。MS-MPTC2在各区域采用不同的搜索策略以减少预测控制过程中的计算量。与MS-MPTC1不同的是,MS-MPTC2为进一步提升永磁同步电机系统性能研究了可变的虚拟半径。对于MS-MPTC1和MS-MPTC2两种方法,本文通过仿真具体地分析了两种方法的稳态和动态性能。最后,本文搭建了永磁同步电机实验平台。在此实验平台上,开展了对所提两种模型预测控制方法MS-MPTC1和MS-MPTC2的稳态性能和动态性能的实验,验证两种方法的可行性和有效性。实验结果表明,两种方法具有较快的动态性能,计算负担相比其他模型预测控制方法均得到了降低,且两种方法转矩脉动、相电流谐波分量也较小,即所提的两种方法提升了永磁同步电机的稳态性能。