Tension Control: Open-Loop Torque Control in Material Unwinding Process

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_254/65

Kamil Kępski , send Paweł Dworak , Daniel Figurowski West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Faculty of Electrical Engineering, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin, Poland

Download Article

Abstract

This paper analyzes the problem of tension control in the processes of unwinding, rewinding, and winding materials, addressing how to implement such control in an open-loop system without the commonly used dancer rolls. It describes the theoretical and mathematical foundations of material tension control. An example problem of tension control on a real control object has been solved. An algorithm utilizing the torque control method in an open-loop system, which uses only servo drives to manage tension, is presented. This algorithm allows for increased process speed by unwinding two material rolls simultaneously, a capability that was not possible with single dancer roll control. Additionally, an algorithm for measuring the moment of inertia of material rolls using servo drives is discussed. The necessary measurements for the control algorithm to function effectively have been performed. The article concludes by presenting the results.

Keywords

rewinding, tension control, torque control, unwinding

Kontrola naprężeń: sterowanie momentem obrotowym w pętli otwartej w procesie odwijania materiału

Streszczenie

W artykule analizuje się problem sterowania naprężeniem w procesach odwijania, przewijania i nawijania materiałów, omawiając sposób wdrożenia takiego sterowania w układzie pętli otwartej bez powszechnie stosowanych rolek naprężających. Opisuje się teoretyczne i matematyczne podstawy sterowania naprężeniem materiału. Rozwiązano przykładowy problem sterowania naprężeniem na rzeczywistym obiekcie sterowania. Przedstawiono algorytm wykorzystujący metodę sterowania momentem obrotowym w układzie pętli otwartej, który wykorzystuje wyłącznie serwonapędy do sterowania naprężeniem. Algorytm ten umożliwia zwiększenie szybkości procesu poprzez jednoczesne odwijanie dwóch rolek materiału, co nie było możliwe przy sterowaniu jedną rolką naprężającą. Ponadto omówiono algorytm pomiaru momentu bezwładności rolek materiału przy użyciu serwonapędów. Przeprowadzono niezbędne pomiary, aby algorytm sterowania działał skutecznie. Artykuł kończy się przedstawieniem wyników.

Słowa kluczowe

odwijanie, przewijanie, sterowanie momentem obrotowym, sterowanie naprężeniem

Bibliography

  1. Wang S., He F., Control technology and strategy of tension control system, 2018 Chinese Control And Decision Conference (CCDC), Shenyang, China, 2018, 2620–2625, DOI: 10.1109/CCDC.2018.8407568.
  2. Deng L., Suo H., Ren H., Design of Insulation Tape Tension Control System of Transformer Winding Machine Based on Fuzzy PID, “Sensors”, Vol. 21, No. 19, 2021, DOI: 10.3390/s21196512.
  3. Ai Y., Yu B., Zhang Y., Xu W., Lu T., Constant Tension Control System of High-Voltage Coil Winding Machine Based on Smith Predictor-Optimized Active Disturbance Rejection Control Algorithm, “Sensors”, Vol. 23, No. 1, 2023, DOI: 10.3390/s23010140.
  4. Jeong J., Gafurov A.N., Park P., Kim I., Kim H.-Ch., Kang D., Oh D., Lee T.-M., Tension modeling and precise tension control of roll-to-roll system for flexible electronics, “Flexible and Printed Electronics”, Vol. 6, No. 1, 2021, DOI: 10.1088/2058-8585/abdf39.
  5. Sakamoto T., Fujino Y., Modelling and analysis of a web tension control system, 1995 Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Athens, Greece, Vol. 1, 1995, 358–362, DOI: 10.1109/ISIE.1995.497022.
  6. Ebler N.A., Arnason R., Michaelis G., D’Sa N., Tension control: dancer rolls or load cells, “IEEE Transactions on Industry Applications”, Vol. 29, No. 4, 1993, 727–739, DOI: 10.1109/28.231986.
  7. Larsen J.S., Jensen P.K., Adaptive Control with Self-Tuning for Center-Driven Web Winders, Master Thesis, 2007.
  8. Xiao-Ming X., Wu-Xiang Z., Xi-Lun D., Ming Z., Shi-Hou W., Design and Analysis of a Novel Tension Control Method for Winding Machine, “Chinese Journal of Mechanical Engineering”, Vol. 31, 2018, DOI: 10.1186/s10033-018-0304-8.
  9. Shelton J.J., Dynamics of Web Tension Control with Velocity or Torque Control, 1986 American Control Conference, Seattle, WA, USA, 1986, 1423–1427, DOI: 10.23919/ACC.1986.4789149.
  10. Homan T., Seki K., Iwasaki M., Tension Estimation and Control in Winding Process of Web Handling Systems, IEEE 30th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Kyoto, Japan, 2021, DOI: 10.1109/ISIE45552.2021.9576320
  11. Ziółek M., Analiza pracy silnika bezszczotkowego z cylindrycznym uzwojeniem i zewnętrznym wirnikiem, Warszawa, Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny, 2013.
  12. He F., Wang S., Wang C., Inhibition of Tension Vibration for Winding Tension Control System, 37th Chinese Control Conference (CCC), Wuhan, China, 2018, 3725–3730, DOI: 10.23919/ChiCC.2018.8482580.
  13. Brodny J., Modelowanie tarcia w układach mechanicznych, „Górnictwo i Geologia”, Vol. 5, No. 2, 2010, 7–17.