永磁同步电机因其调速范围宽、运行效率高、维护方便等优点，已成为交流伺服系统的主要执行机构。但由于其存在多变量、强耦合、非线性等特点，且在实际工况中会受到参数摄动、外部干扰和摩擦等因素的影响，传统的线性控制方法无法实现高精度控制。近些年来，由于科学技术迅速发展、现代控制理论不断丰富，众多先进控制算法被提出并在运动控制领域得到了较好的应用。作为其中的一种优化算法，模型预测控制不仅可以有效利用系统模型，还能够充分考虑约束条件。此外，不同于一般的串级控制，单控制环模型预测算法以一个控制环替代速度环和电流环，不但结构简单、待调节的参数少，而且可以克服串级结构动态响应慢的缺点。本文以改善控制系统的综合性能为目标，将深入研究基于永磁同步电机伺服系统的单控制环模型预测算法。
　　基于矢量控制策略，本文首先利用永磁同步电机电压和转速的二阶模型关系设计了单环模型预测控制器。接着，为提高伺服系统的速度环带宽，在单环MPC反馈控制的基础上引入了速度参考信号的前馈补偿，设计了单环MPC与参考信号前馈的复合控制方法。仿真和实验结果表明，相比于串级PI控制，单环MPC方法的各项性能均有所提高。同时，所提出的复合控制方法能够有效提升伺服系统的速度带宽。
　　针对强干扰工况下电机参数变化、外部负载突变问题，本文研究了基于扰动观测器的单环MPC控制方法。首先设计了二阶线性扰动观测器估计由模型参数不确定性和外部负载扰动组成的集总干扰，然后将扰动估计值引入预测模型中以获得精确地预测输出，并在此基础上设计单环MPC控制器。仿真结果表明，该方法具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。
　　考虑到摩擦是实际系统中必然存在的因素且会对伺服系统的控制性能造成不利影响，尤其是低速时跟踪性能的下降，为此本文研究了基于摩擦补偿的单环MPC控制方法。第一步对摩擦模型进行分段线性辨识，第二步利用扰动观测器估计由摩擦补偿偏差、负载扰动等组成的集总干扰，最后将摩擦力矩与扰动估计值引入电机的运动方程中，从而建立更加准确的预测模型，并在此基础上进行单环MPC的设计。通过仿真和实验验证了该方法能够有效地提升电机在做低速、往返运动时的速度跟踪性能。