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永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）具有高效、高功率密度、低噪音和结构灵活等优点,在轨道交通车辆牵引系统中越来越受到关注。本文以大功率三相两电平逆变器供电的PMSM为研究对象,重点研究低开关频率大功率牵引逆变器优化同步调制技术和PMSM控制策略。针对三相两电平逆变器,简单介绍了空间电压矢量调制（Space voltage Vector Pulse Width Modulation,SVPWM）与三角载波调制之间的关系,推导出了满足输出相电压波形周期对称、半波奇对称、1/4周期偶对称和三相平衡、线电压极性一致及同时只允许一个桥臂开关切换等约束条件的优化同步空间电压矢量序列排列规律,提出了待优化同步空间电压矢量序列的构造方法,完成了11分频以下矢量序列集合的构造,并分析了序列中各矢量作用角度与对应相电压波形优化开关角之间的数学关系。而后,以矢量序列中各个矢量的作用角度为变量,建立了谐波电流最小优化同步SVPWM（Current Harmonic distortion Minimization SVPWM,CHM-SVPWM）方法,并进行了三个层次的优化求解。求解结果表明,相比传统基于相电压的谐波电流最小优化同步调制（Current Harmonic distortion Minimization Pulse Width Modulation,CHMPWM）方法,CHM-SVPWM方法的求解过程不依赖于迭代初值,几乎对任意初值都能寻求到全局最优解。通过仿真和实验对优化求解结果进行了验证。针对三相两电平逆变器供电的PMSM,简单介绍了电机数学模型和矢量控制策略,给出了采用优化同步调制时的电机定子电压表达式,推导出了优化同步调制下的电机定子电流表达式。随后分析了已有的两个电流谐波性能评价指标,即加权总谐波畸变（Weighted Total Harmonic Distortion,WTHD）和考虑电机凸极特性的空载电流谐波评价指标σi0。针对这两个指标的优缺点,提出了考虑PMSM凸极特性和负载角影响的电机电流谐波评价指标σi。引入基于σi0最小的优化同步调制方法（CHMPWM for Electrically excited Synchronous Motor,CHMPWM-ESM）,分别采用WTHD、σi0和σi作为评价指标对CHMPWM和CHMPWM-ESM这两种方法的电流谐波性能进行比较,不同评价指标得出的比较结果不同。实验结果表明,CHMPWM和CHMPWM-ESM这两种方法下PMSM定子电流总谐波畸变率（Total current Harmonic Distortion,THD）的比较结果与基于σi指标的电流谐波性能比较结果一致,即WTHD和σi0无法正确反映PMSM凸极特性和负载角变化对电流谐波的影响,而σi指标能正确、有效地评价凸极PMSM的电流谐波性能。基于优化同步调制下PMSM定子电流表达式,以11分频为例,对CHMPWM和CHMPWM-ESM分别作用下的电机定子电流谐波频谱进行了分析,实验结果验证了分析结论。对应CHMPWM-ESM,构造了基于σi0最小的优化同步SVPWM方法（CHMSVM-ESM）,并给出了优化求解结果。而后,考虑PMSM凸极特性和负载角影响,提出了基于σi最小的优化同步SVPWM方法（CHMSVM-PM）,分析了凸极率对优化求解过程的影响,完成了一台凸极率为2.5的PMSM的优化求解,并对比分析了不同负载角下的优化解。以σi为评价指标,对CHMSVM-PM、CHMSVM-ESM以及CHM-SVPWM三种方法的电流谐波性能进行比较。结果表明,CHMSVM-PM方法在全运行区域内优于其它两种方法,其它两种方法只是CHMSVM-PM方法在一定条件下的特例。实验结果验证了基于σi指标的比较结果的正确性和CHMSVM-PM方法的优越性。以优化同步调制下PMSM定子电流表达式为基础,推导出了PMSM转矩谐波解析表达式。通过计算结果和仿真结果的对比,验证了推导过程的正确性,为分析和评估既有优化同步调制方法的转矩谐波特性及研究基于转矩性能优化的同步调制方法奠定了理论基础。低速异步调制和中高速优化同步调制相结合的混合调制策略应用于传统矢量控制系统时,采用优化同步调制的运行区域内,系统动态响应较慢。针对此问题,结合直接转矩控制方法动态响应快的优点,研究适合全运行区域的PMSM直接转矩控制策略,以提高系统动态响应能力。针对低速运行区域,简单介绍了基于异步SVPWM的PMSM固定开关频率直接转矩控制方法,提出了基于等效磁链的PMSM定子磁链观测方法,仿真验证了该磁链观测方法在各种电机参数偏差下的有效性。通过分析PMSM转矩方程,构建了一种基于异步SVPWM调制的无差拍直接转矩控制方法,仿真和实验验证了该方法的较高动态性能。针对中高速运行区域,分析了不同优化同步调制模式对应的定子磁链轨迹特征,构建了基于定子磁链轨迹的同步调制策略实现方法。以此为基础,结合同步调制方法的稳态性能和直接转矩控制策略的动态性能,提出了包含弱磁控制在内的基于优化定子磁链轨迹的PMSM直接转矩控制方法,并通过仿真和实验验证了该方法具有较高的动态响应能力。