Traction control for railway vehicles

Fleischer, Michael; de Doncker, Rik W.; Abel, Dirk

doi:HT020284846

Traction control for railway vehicles = Traktionsregelung für Schienenfahrzeuge

Fleischer, Michael^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Ingenieur Michael Fleischer

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xxiv, 162 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 128

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)^RWTH* ; Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-06-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-10570
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/772081/files/772081.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
anti-vibration control (frei) ; drive-train (frei) ; predictive maintenance (frei) ; railway (frei) ; traction (frei) ; wear reduction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Bisher wurde der Traktionsantriebsstrang in der Regelungssoftware nicht berücksichtigt, da alle mechanischen Parameter unbekannt waren. Letztere unterliegen dem Radsatzverschleiß und der Gummialterung während der Laufzeit des Antriebsstranges. Das bekannte Schwingungsverhalten des Antriebsstranges ermöglicht ein einfaches und smartes Identiﬁkationsverfahren. Als Resultat wird ein reduziertes Drei-Massen-Model errechnet, welches für Parameterschätzung, Systemüberwachung und Regelung angewendet wird. Basierend auf diesem virtuellen Model werden virtuelle Sensoren für alle relevanten Signale des Antriebsstranges vorgestellt. Die Signale werden mit Histogrammen analysiert um die Ausnutzung des Rad-Schiene-Kontaktes und das Lastspielspektrum der Radsatzwelle zu bestimmen. Der virtuelle übertriﬀt den physikalischen Sensor hinsichtlich Verlässlichkeit, Robustheit, Kosten und Einbauraum. Des Weiteren werden für die Schwingungsregelung zwei Standard-Verfahren, nämlich der Standard- und der passive Readhäsionsregler, erörtert und bezüglich ihrer Anti-Windup und Präventionsleistung verbessert. Dann wird eine neue modale Zustandsregelung im Zeitbereich mit einer Vorsteuerung entworfen. Diese Regelung wird in den Frequenzbereich übertragen. Eine einfache Startprozedur des neuen aktiven Schwingungsreglers von jeglichem Standardregler wird vorgeschlagen um die Akzeptanz und die Anwendbarkeit für die Traktionsanwendung zu steigern. Aufgrund einer geringen Qualität des Geschwindigkeitsignals ist der aktive Schwingungsregler in der Lage, Schwingungen bis zu einem bestimmten Grad zu dämpfen. Jenseits dieser Grenze wird zusätzlich ein passiver Readhäsionsregler gekoppelt und dieser greift ein, bis der aktive Schwingungsregler wieder die Schwingungen beherrscht. Unter Verwendung der Synergie von aktiven und passiven Reglern wird der stabile Betriebsbereich des Traktionsantriebes ohne Verlust von Zugkraft deutlich gesteigert. Um die Komplexität der Inbetriebnahme zu vereinfachen und die Dämpfungsleistung weiter zu erhöhen, wird ein virtueller Tilgerregler mit minimierter Sensorrauschverstärkung auf Basis des Standard-Reglers eingeführt. Der Tilger ist virtuell auf dem indirekt angetriebenen Rad eines beliebigen Antriebsstranges montiert und sein Start wird vom Standard-Regler aus eingleitet. Seine Parameter werden kontinuierlich an den Radsatzverschleiß und an die Gummialterung angepasst, um alle Nachteile zu vermeiden, die von einem fest installierten Tilger bekannt sind. Auf Basis des virtuellen Tilgers werden universellere virtuelle Filter für den Traktionsantrieb eingesetzt, um den Antriebsstrang vor Schwingungen zu schützen und die Zugkraftausnutzung zu erhöhen. Der letztgenannte Eﬀekt wird nur durch eine aktive virtuelle Readhäsion erreicht, wo andererseits der passive Regler mit einem Verlust der Zugkraft einhergeht. Um ein derartiges Mehr-Filter-Reglerschema zu implementieren, wird eine Zustandsmaschine eingeführt, um die Aktivierung der verschiedenen Regler entsprechend dem gewünschten Zustand einzuleiten.

So far the traction drive-train was not considered in the traction control software as all mechanical parameters were unknown. The latter are subject to signiﬁcant wheelset wear and ageing of rubber elastic joints during the drive-train’s operational life. The known vibration behavior of the drivetrain, namely the mode shapes, facilitates an ingenious and simple parameter identiﬁcation scheme. As a result, an appropriate three-inertia virtual model is derived which is applied for parameter estimation, for system monitoring and for control. Based on this model, virtual sensors are introduced for all relevant signals of the drive-train. The signals are analyzed by the use of histograms to mainly determine both utilization of the wheel-rail contact and load cycle spectrum of the wheelset shaft. The wearless virtual sensors outmatch their physical counterpart in means of reliability, robustness, cost and space requirements. Further for anti-vibration control, two state of the art control schemes, namely the standard and the passive readhesion controller, are discussed and improved regarding their anti-windup and prevention performance. Then a novel modal state control scheme is derived in the time domain with its feedforward controllers. Subsequently, an equivalent scheme is developed in the frequency domain. A simple starting procedure of this novel active anti-vibration controller from any standard controller is proposed to raise its acceptance and applicability in the traction application. Due to a low quality of the speed sensor signal, the active anti-vibration controller is designed to be capable of damping slip-stick vibrations up to a certain limit. Beyond this limit, a passive readhesion controller is additionally coupled and intervenes until the active anti-vibration controller can cope with the vibrations. Using the synergy of the active and the passive controllers, the stable operating range of the traction drive is signiﬁcantly increased without any loss of traction force. To simplify the commission complexity and to further increase the damping performance, a virtual absorber feedback controller with minimized sensor noise ampliﬁcation is introduced based on the standard speed controller. The absorber is virtually mounted on the indirect-driven wheel of any traction drive-train and for its starting is faded in from the standard control scheme. Its parameters are continuously adapted to wheelset wear and to rubber joint ageing circumventing all drawbacks known from the ﬁxed mechanical absorber installation. On the basis of the virtual absorber, more universally valid virtual ﬁlters are applied to the traction drive-train to protect the structure from the vibrational intake as well as to increase the tractive eﬀort utilization. The latter eﬀect is only achieved by active virtual readhesion where on the other hand, the well-known passive approach comes along with a loss of traction force. Virtual protection is obtained by all virtual ﬁlters which are mutually exclusively applied to all three inertias of the virtual model. To implement such a multi-feedback controller scheme, a looping state machine is introduced to handle the activation of the several controllers according to the desired state.

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