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近年来,永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)因具有结构简单、功率密度大、体积小、可靠性高等优点,在新能源汽车等领域得到广泛应用。本文以PMSM为研究对象,主要研究内容包括PMSM的基本理论、直接转矩控制(Direct torque control,DTC)、模型预测控制、最大转矩电流比(Maximum torque per ampere,MTPA)、弱磁(Flux weakening,FW)控制、多电平技术等,得出的结论和总结出的方法对PMSM系统的应用具有理论指导意义和工程应用价值。论文主要研究成果包括以下几个方面:1.分析了PMSM的基本工作原理,构建了PMSM的数学模型,并在此基础上研究了DTC,模型预测转矩控制(Model predictive torque control,MPTC)以及模型预测磁链控制(Model predictive flux control,MPFC)三种控制算法,通过仿真和实验对这三种控制算法进行了验证与比较分析;2.研究了全速域内基速以上MTPA控制、基速以下FW控制策略在基于MPTC的PMSM控制系统中的应用,并在全速域价值函数中加入了逆变器开关频率的限制条件,以实现恒转矩区内MTPA、恒功率区内FW调速开关频率最优化的控制效果。通过仿真与实验结果的对比研究,证明了所提方案不仅具有较高的动态响应性能,同时有效降低了逆变器的开关频率;3.针对PMSM三电平MPTC中存在权值整定困难,提出一种PMSM无权值MPFC。该控制策略将MPTC中对电机转矩和定子磁链幅值的控制转化为对定子磁链矢量的控制,从而构建预测定子磁链dq分量相对于参考值偏差的价值函数。接着,通过判断中点电流方向与中点电压的相互关系,用一对冗余小矢量调节中点电压,以实现中点电压平衡。进一步地,采用q轴磁链无差拍的占空比MPFC策略以提高电机的稳态性能,并将空间矢量分为12个扇区,对参考电压矢量所在扇区的4个非零矢量进行优化评估以降低多矢量选择时的计算量。最后,通过仿真和实验验证本文所提控制算法的可行性和优越性;4.为了解决三电平逆变器存在开关器件多,中点电位平衡困难,系统成本高等问题,提出基于零序环流抑制的半控型开绕组永磁同步发电机MPFC策略,在发电领域进行了共直流母线开绕组发电机的仿真和实验验证,以实现单一的电驱领域到发电领域的切换,保证永磁同步电机控制策略的完整性;5.设计了硬件驱动电路和软件实施方案,并搭建了基于DSPACE1104的PMSM控制系统,通过实验平台以验证控制算法的实际可行性,同时可佐证理论分析和仿真的正确性。