This doctoral dissertation focusses on active wheelset steering of railway vehicles. Active wheelset steering is a mechatronic solution for a solid-axle wheelset that has been proven to improve curving performance. Several aspects are investigated including control strategies, control systems and steering control in turnouts. This aims to explore the interaction of all elements in mechatronic running gear with active steering capability. 

Active wheelset steering can be executed by various control strategies and one of the widely recognised is control strategies for perfect steering condition. Several control variables can be used to achieve such a condition such as wheelset yaw angle and lateral displacement. For instance, wheelset lateral displacement control requires a lateral displacement feedback signal and a knowledge of the wheel-rail contact parameter, that is equivalent conicity of the wheelset. Hence, the estimator based on the dual extended Kalman filter technique is designed to estimate vehicle states and wheelset equivalent conicity. This estimator can potentially be applied for active wheelset steering with lateral displacement feedback. To ease the required sensing and estimation, control strategies for active wheelset steering aiming at achieving perfect steering condition are proposed by considering wheelset angular velocity as a control variable which is easy to obtain through direct measurements. The control strategy is first introduced by considering the main objective to minimise longitudinal creepages in curve. Influence of wheel-rail combinations are investigated as it greatly affect the proposed control strategies. Subsequently, the simplified control strategy and the control strategy based on equal wheelset angular velocity are proposed as alternative solutions to solve challenges from wheel-rail pairs. In addition, a robust control for active wheelset steering is studied as railway vehicles are subjected to disturbances from track inputs and uncertainties mainly from wheel-rail parameter variation. The design and development of robust control system is based on sliding mode control with equivalent control. The complexity of the derived controller is mainly from the required signals. Then, the simplified sliding mode control (SSMC) is investigated. The application of the simplified controller as passive fault-tolerant control is analysed with a consideration of one actuator fault with zero force. The adaptive sliding mode control is proposed to support the full mitigation to actuator failure effect. Another contribution of this thesis also includes steering control in switch and crossing as railway turnout is an important track component that guides movement of the vehicles. The characteristics of turnouts challenge to active wheelset steering system in various aspect. Thus, the optimised steering control in turnouts is proposed to further improve steering performance. The preview of train position is incorporated by using the map-based train positioning. This proposed method can dramatically reduce peaks in wheel-rail wear in switch and crossing.

In conclusion, this research contributes to the advancement in active wheelset steering of railway vehicles in several aspects including control strategies, robust control system and control approach in turnouts for active wheelset steering. The contributions in this thesis would facilitate the practical implementation of active wheelset steering and further performance improvement in railway turnouts.

Denna doktorsavhandling behandlar aktiv hjulparstyrning av järnvägsfordon. Aktiv hjulparstyrning är ett mekatroniskt tillvägagångssätt som för hjulpar med solid axel ger förbättrad kurvtagning. Flera aspekter undersöks inklusive reglerstrategier, reglersystem samt styrning vid spårväxlar. Denna avhandling syftar till att utforska interaktionen mellan olika delar av löpverk med aktiv hjulparstyrning.

Aktiv hjulparstyrning kan utföras med olika reglerstrategier. Allmänt erkända reglerstrategier strävar mot perfekta styrförhållanden. Flera variabler kan användas för att uppnå detta tillstånd. Två exempel på variabler är hjulparets girvinkel och dess sidoförskjutning relativt rälen. För att använda sidoförskjutning som variabel krävs det både att sidoförskjutningen kan mätas samt kunskap om hjul och räls kontaktparametrar. Dessa parametrar motsvarar koniciteten i hjul-räl systemet som kan uppskattas med den tvåsidigt utvidgade Kalmanfilter tekniken utformad för att uppskatta fordonets tillstånd och hjulparets ekvivalenta konicitet. Denna uppskattning kan appliceras för aktiv hjulparstyrning baserad på sidoförskjutning. För att förenkla kraven på sensorer och uppskattning föreslås det att betrakta hjulparets vinkelhastighet som en reglerparameter, eftersom denna är lätt tillgänglig genom direkta mätningar. Denna reglerstrategin introduceras först med huvudmålet att minimera det längsgående krypet mellan hjul och räl vid kurvtagning. Inverkan av olika hjul och spår kombinationer undersöks eftersom de kraftigt påverkar de föreslagna reglerstrategierna. Därefter föreslås den förenklade reglerstrategin och reglerstrategin baserad på hjulparets vinkelhastighet som alternativa lösningar för att lösa utmaningar från olika hjul och räls kombinationer. Dessutom studeras en robust reglering för aktiv hjulparstyrning eftersom järnvägsfordon utsätts av störningar från rälsen som huvudsakligen beror på variationer av hjul och räls parametrar. Designen och utvecklingen av ett robust reglersystem baseras på styrning längs en glidande yta med motsvarande reglering. Komplexiteten av den framtagna regleringen bestäms till stor del av vilka signaler som krävs. Därefter undersöks den förenklade regleringen baserat på glidande yta tekniken. Tillämpningen av den förenklade regleringen som passiv feltolerant styrning analyseras med fokus på fel där ställdon inte ger kraft. Den adaptiva regleringen visar på full hantering av analyserade ställdonsfel. Ett annat bidrag i denna avhandling är förbättrad styrning i spårväxlar. Detta har granskats eftersom spårväxlar påverkar fordonets rörelser och slitage. Flera utmaningar vid spårväxlar i kombination med aktiv hjulparstyrning undersöks. En optimerad styrning vid spårväxlar föreslås, optimeringen inkluderar en framförhållning av tågets position genom användning av kartbaserad tågpositionering. Denna föreslagna metod kan dramatiskt minska toppar i hjul och räls-slitage i spårväxlar.

Sammanfattningsvis bidrar denna forskning till utveckling av aktiv hjulparstyrning för järnvägsfordon inom områden som reglerstrategier, robusta reglersystem och val av reglering vid spårväxlar. Resultaten som presenteras i denna avhandling kan användas vid implementering av aktiv hjulparstyrning samt för att minska hjul och räls-slitage i spårväxlar.