Proč se DC motor otáčí v každém směru jinak a jak tomu zamezit

DC motory mohou vykazovat rozdílnou rychlost v opačných směrech kvůli konstrukčním a řídicím asymetriím. Tento jev je typický zejména u motorů s komutátorovým předstihem nebo u systémů s nevyváženým řízením. Zde je podrobný rozbor:

Příčiny rozdílných rychlostí

1. Komutátorový předstih (Commutation Advance)

• Princip: U motorů s kartáči je komutátor často konstrukčně posunut, aby optimalizoval výkon v preferovaném směru⁵. Při reverzaci se magnetická neutrální rovina posouvá, což snižuje účinnost a rychlost⁵.
• Důsledek: Motor dosahuje vyšší rychlosti v "předním" směru (např. 1,2 m/s) oproti "zpětnému" (0,8 m/s).

2. Asymetrie H-můstku

• Řídicí obvody: Nesymetrické napájení H-můstku (např. rozdílné úbytky na tranzistorech) způsobuje rozdíly v napětí aplikovaném na motor¹⁰.
• Příklad: Při 12 V v jednom směru může efektivní napětí klesnout na 11 V v opačném směru, což sníží rychlost o ~8 %¹.

3. Magnetická asymetrie

• Permanentní magnety: U motorů s permanentními magnety může nestejnoměrné nasycení jádra vést k odlišnému točivému momentu v opačných směrech⁴.

Charakterizační veličiny

• Koeficient asymetrie (Kₐ):

$$ Kₐ = \frac{v_{\text{max, dopředu}} - v_{\text{max, zpět}}}{v_{\text{max, dopředu}}} $$

Typické hodnoty: 0,1–0,3 pro motory s komutátorem⁵. - Rozdíl točivého momentu (ΔT):

$$ ΔT = T_{\text{dopředu}} - T_{\text{zpět}} $$

Měří se při stejném proudu².

Řešení v robotice

A. Hardwarové metody

1. Symetrické H-můstky
   • Použití MOSFETů s nízkým R_DS(on) (např. IRF3205) pro minimalizaci úbytků¹⁰.
   • Kalibrace napájecích větví pro stejné napětí v obou směrech.
2. Dvojité enkodéry
   • Optické enkodéry (např. AS5048A) měří rychlost v reálném čase a korigují ji pomocí PID⁹.

B. Softwarové metody

1. Korekční koeficienty
   • Nastavení rozdílných PWM hodnot pro každý směr (např. 85 % PWM pro zpětný směr)¹⁰.
2. Pokročilé řídicí algoritmy
   • FOC (Field-Oriented Control): Kompenzuje asymetrie regulací magnetického pole⁷.
   • Adaptivní PID: Automaticky upravuje zesílení na základě zpětné vazby⁶.

C. Mechanické kompenzace

• Převodovky s konstantním převodem: Eliminují rozdíly snížením závislosti na směru¹.
• Klikové mechanismy: Transformují rotační pohyb na lineární nezávisle na směru⁸.

Praktické příklady

Pro eliminaci rozdílů v rychlosti je klíčové kombinovat symetrické řídicí obvody, zpětnou vazbu a adaptivní algoritmy. V kritických aplikacích (např. chirurgické roboty) se preferují motory bez komutátoru (BLDC) nebo piezoelektrické lineární pohony⁸.