自由活塞直线发电系统是自由活塞发动机和直线电机组合形成的一种新型动力装置,直线电机的动子和发动机的连杆刚性连接,两侧发动机交替点火推动动子往复运动,电机侧输出电能。该新型系统具有结构简单、摩擦损耗小、能量转换效率高、功率密度高、多燃料适应性等潜在优势,近些年受到国内外许多研究机构的广泛关注。本文对点燃式自由活塞直线发电系统电气子系统建模及控制方法进行研究,主要包含了电气子系统建模、试验系统设计和模型验证、参数化影响分析、及控制策略研究。具体研究内容和主要结论如下:(1)分析直线电机的工作原理,建立其电气和动力学数学模型,采取直线电机和旋转电机等效的思路,建立基于SimPowerSystems的电机外接三相电阻负载形式的仿真模型。设计展开相关样机试验,对比仿真结果,分析了自由活塞系统的性能特点,验证了仿真模型的正确性。(2)设计了自由活塞直线发电系统的实现方案,规划了系统不同的运行工况,总结相应工况下的运行特点及控制要求。基于设计方案,对电气子模块展开进一步的建模和控制策略设计。首先研究了电机理论的坐标变换、矢量控制、SVPWM调制等内容,设计了对应的电动模式矢量控制策略,即位移环-速度环-电流环三环控制方法,仿真分析了系统电动模式下系统的运行性能。继而研究了整流控制原理,在基于电压矢量定位的两相坐标系下,建立了整流控制的控制方程,并搭建了对应的电压环-电流环控制策略仿真模型,并仿真分析了该策略下系统稳定运行时的性能特点。(3)详细探讨了自由活塞直线发电系统的建模仿真、模块匹配设计、结构参数和运行参数逻辑关系。通过仿真分析,指出本文样机结构参数匹配存在的问题,并基于样机的基本参数,研究了电机电感和磁链,负载形式及负载大小,发动机动子质量、漏气状态、动子行程,发动机点火时刻等对系统运行性能和效率的影响规律。(4)总结了现有的控制策略和系统控制对象的响应特点,将系统控制分为长时间尺度的匹配控制和短时间尺度的稳定控制。设计了不同程度的控制方案,比如:只控制发动机参数的稳定运行方案;电机控制作为主导发动机点火控制辅助的控制方案;动子运动轨迹优化和电机发电特性优化的控制方案。通过分析燃烧放热量变化时,系统三相电阻负载模型的算例,揭示了系统对放热量变化灵敏度高的特点,验证了系统控制的必要。就功率恒定控制策略展开仿真研究,揭示了能量回流导致前者能够持续运行的机理,能量回流与此同时引起了该策略压缩冲程速度变动、缸压不稳定的现象,对此提出了改善策略。利用正弦位移指令验证了轨迹跟踪控制策略的可行性,分析了该策略运动特性、动力特性变动小的特点;由于正弦曲线不符合系统自发运动的曲线,所以电能流动方向变化次数多,可以修正三相电阻负载下的轨迹作为指令轨迹。而且,优化运动轨迹有望进一步提高系统运行效率,但是增加了系统匹配设计的难度。(5)论文研究期间从事了试验平台建设、试验研究工作,针对论文要求设计了试验验证了仿真模型的正确性,编写燃烧放热程序分析了试验数据,揭示了试验过程存在漏气、循环变动大的特点,进一步分析了试验台架的主要制约因素,包括匹配不合理,发动机系统的扫气、气流组织、燃烧、漏气、摩擦力等试验条件局限。