负载换流变流器（Load Commutated Inverter,LCI）驱动同步电机控制系统具有容量大、成本低、控制简单和可靠性高等优势,因此广泛应用于抽水蓄能机组、同步调相机、燃气轮机、高炉鼓风机以及精轧机主传动系统等重要大功率传动场合,其中精轧机主传动系统由于具有阶跃负载特性和较大的带载需求,是目前对LCI驱动同步电机系统控制需求最高的应用场合。目前国内相关行业大多采用西门子、ABB和通用电气等国外公司的相关产品,因此对与该驱动系统的国产化研究具有重大的现实意义。本文以精轧机主传动系统为例,针对LCI驱动同步电机控制系统的无传感器控制和带载优化控制两方面进行了深入研究,其主要研究内容如下:研究适用于同步电机静止及低速阶段的转子位置估计方法。对于同步电机驱动系统而言,实时的转子位置信息是实现可靠运行的基本条件,传统机械式传感器的安装和使用在很多场合下都会受到极大的限制并且可靠性较低。为了解决该问题,本文提出了一种基于励磁电流谐波响应的静止与低速转子位置估计方法,并利用包络预估算法对离散采样所带来的相位偏移进行校正,提高了转子位置的估计精度。为了进一步提高转子位置估计的可靠性和准确性,本文又提出了一种直接利用励磁电流谐波来协助转子位置信息提取的信号处理方法。针对LCI无法产生频率合适的高频谐波信号的问题,本文分析了LCI驱动系统的拓扑结构和控制方式,提出了一种改进的励磁控制方式。进而对转子位置估计方法中用到的滤波器和锁相环进行了分析和设计,并对转子位置的估计误差进行了分析和补偿,进一步提高了静止与低速转子位置估计方法的估计精度。研究适用于中高速负载换流控制下的转速估计方法及应用于逆变控制的矢量控制策略。为了提高LCI在负载换流模式下的控制精度,实时的三相定子相电流信息是必需的,而在大功率驱动系统中增加电流传感器会显著提高系统成本。为了解决该问题,本文提出了一种三相定子电流重构方法,该方法只需对直流母线电流进行检测即可实现三相定子电流的实时估计。为了实现中高速运行下的可靠换相和无传感器控制,本文提出了一种基于定子电流重构的中高速反电动势相位及转速连续估计方法,进而实现了全运行范围下的无传感器转速估计。然后在反电动势相位连续估计的基础上,提出了一种基于最小剩余换流角的矢量控制策略,该方法实现了整流和逆变的解耦控制,并能够在保证LCI可靠换相的基础上提高驱动系统的带载能力。研究适用于阶跃负载特性系统下的模型预测控制策略。本文分析了精轧机主传动系统的负载特性,并以具有阶跃负载特性的精轧机主传动系统为例,分析和说明了阶跃负载扰动下传统的双闭环控制和前馈控制对提升转矩暂态特性的局限性。针对现有控制方法在LCI驱动同步电机系统中普遍存在的动态响应不佳和调试成本高的缺点,本文提出了一种与最小剩余换流角控制相匹配的无传感器模型预测控制方法。该方法建立了LCI直流控制回路和电机运动方程相结合的被控对象数学模型,该系统数学模型能够降低模型阶数,并保证所建立的状态空间模型的系数均为常数,从而大大提高了模型预测控制的运行效率。针对精轧机主传动系统的工程应用特点,给出了合适的约束控制优化方法,并对系统的稳定性进行了分析。验证本文提出的LCI驱动同步电机无传感器控制策略。本文搭建了3.75kW的LCI驱动同步电机带载测试平台,同时给出了该实验平台的硬件设计方案和软件控制流程。以精轧机的工程应用特点和需求为例设计了相应的实验验证方案,测试了本文提出的静止及低速转子位置估计方法、中高速反电动势相位及转速估计方法、最小剩余换流角控制策略和无传感器模型预测控制策略的实际应用效果,并与精轧机控制系统的典型控制策略进行对比,从而验证了本文提出的LCI驱动同步电机无传感器控制策略具有更好的带载能力和动态响应特性。