新世纪以来,经济的快速发展对环境承载力和能源的可持续发展带来了极大的考验,人们逐渐意识到当前相当严峻的化石能源危机和环境污染问题。因此新能源技术和节能减排技术的研究与发展引起了人们的广泛关注。自由活塞内燃直线发电机拥有燃料适应范围广、机械摩擦损耗小以及压缩比可调等多种优势,因此具有广阔的发展前景。本文建立了自由活塞内燃直线发电机的数学模型,具体包括:根据能量守恒和理想气体状态方程等理论建立了燃烧室动力学模型和气体弹簧模型、根据电机电压方程和坐标变换理论建立了三种坐标系下的直线电机模型,介绍了PWM整流器的拓扑结构和运行特性,分析了系统各部件间的能量流动匹配关系,并以此为依据进行了系统的匹配设计。在控制策略层面:在系统起动阶段,提出一种基于状态识别的振荡起动控制策略,通过运动状态的监测和反馈,调节电流相位,保持电机最优功率输出。相比传统的恒定电磁力起动和恒定位移起动,克服了小功率系统起动过程的电流过载问题,并有效缩短了起动时间;在系统发电阶段,提出一种基于预测算法的高效控制策略,通过建立与时域对应的预测功率参考指标,生成准确的开关信号,一方面克服了因PWM开关信号延迟问题导致的效率损失,另一方面减少了因开关频率不固定而产生的噪声和损耗。最后结合项目指标,根据匹配方案,设计了系统机构,完成了样机三维建模、加工和组装,搭建了系统的硬件平台。编写了控制策略软件程序和上位机操作界面,完成了系统功能和参数的测试整定,获取了系统运动特性曲线,完善了系统的数学模型,最终验证了本文提出的控制策略。