1.课题背景与意义：

电机(Electric machinery)是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。自雅可比发明第一台直流发动机起，电机在人类生产，活动中发挥着愈来愈重要的作用。电机是将电能与其他形式能量进行互相转换的装置，为了提高电机能量转换和传递的效率，节约生产生活成本，必须找到一种高效的控制策略。因此，电机的控制策略成为了电机研究领域的重要课题。

直流调速系统调速方便，只要改变电机的输入电压或励磁电流就可以在宽范围内实现无级调速，而且在磁场一定的情况下转矩输出与电枢电流成正比，使得直流电机的转矩易于控制。^[1]所以，在20世纪70年代之前，直流调速系统广泛应用于调速范围广、调速精度高、动态性能好的场合，主导了当时的电机控制策略。然而，直流电机也存在着一些明显的缺陷：设备体积较大，由于电刷和换向器的存在，设备生产成本变高，电机工作时会产生电火花，从而易引发设备发热甚至燃烧，电机的维护成本也变高，且易引发火灾。

相比直流电机，交流电机具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、维护容易、价格便宜、对环境要求低等特点。^[2]电机调速系统的关键问题是在维持气隙磁链不变的情况下控制电机的电磁转矩，而交流电机的磁链和转矩之间存在耦合，不能像直流电机那样磁链和转矩可以独立调节，因此交流电机的调速成为难题。然而，电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展大大地促进了交流电机控制技术的研究和产品的研发，交流调速系统已逐渐占据了传动领域的主导地位，而应用实践表明交流调速技术的广泛应用带来了巨大的经济和社会效益。^[3]

交流伺服电机主要分为感应电机（Induction Motor,简称IM）和永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）两大类。^[4]永磁电机相对于感应电机，永磁电机转子惯性小，具有一定的快速响应能力；稳定运行时无转子损耗，功率因数较高；体积较小。因此，永磁电机的交流传动系统控制技术成为电机领域的发展重点。

自上世纪80年代以来，随着功率电子、数字信号处理器和计算机辅助设计等技术的飞速发展，交流电机已广泛应用于需要变频调速的农业、工业、军事等领域。由于永磁同步电机具有高效率、高功率密度及高转矩惯量比等优点，其在家电^[5]、电动汽车^[6]和风力发电^[7]行业已取得诸多应用。

通常，根据永磁体在转子结构中的不同位置，正弦波永磁同步电机可分为内埋式永磁同步电机（IPMSM）和表贴式永磁同步电机（SPMSM），两种电机结构对比分析具体见文献^[8]。由于SPMSM的永磁体镶嵌在转子铁芯上，SPMSM会产生一个大而均匀的等效气隙，该特性使得电机中的磁饱和效应可以近似忽略，同步直轴电感与交轴电感相等，所以SPMSM电磁转矩只有磁场转矩部分，与IPMSM相比其相对弱磁能力有限。而且因为其特殊的转子结构，电机转速不能太快以抵消转子表面产生的离心力效应，因此SPMSM一般应用于低速驱动领域，诸如风力发电和家电。内埋式永磁同步电机永磁体埋于转子铁芯中，这种结构有效地减小了弱磁工作时永磁体在电枢磁场中退磁的可能性，增强了电机对环境的适应性。与SPMSM不同的是，IPMSM等效气隙不均匀，而且饱和效应明显，这些特性导致IPMSM的交轴同步电感大于直轴同步电感，其产生的电磁转矩既有磁场转矩部分，又有磁阻转矩部分。^[9]因此，IPMSM多应用于电动汽车等行业。

随着永磁材料成本的不断下降和控制技术的不断发展，永磁同步电机驱动系统受到人们越来越多的关注。另外，鉴于对环境问题和能源危机的考虑，，也为永磁同步电机控制技术的发展创造了广泛的空间。

伴随着永磁同步电机的广泛应用，上世纪七八十年代，人们研究出了较为高性能的永磁电机转矩控制技术#8212;#8212;矢量控制和直接转矩控制。目前，已广泛应用于工业生产等领域。近年来出现了将非线性控制方法与传统的矢量控制和直接转矩控制相结合的控制策略。^[10]模型预测控制（MPC）作为非线性控制方法中的典型代表，凭借高动态响应特性、 多目标优化能力以及灵活的实现方式，使得其在 电力电子与电力传动领域得到了高度重视。^[14]

2.国内外研究现状的介绍以及应用