Wenn Sie zwei baugleichen Gleichstrommotoren eines Roboters mit Differenzialantrieb ein Signal mit 100 % Tastverhältnis schicken, zieht der Roboter fast immer eine Kurve nach links oder rechts. Das liegt daran, dass zwei in Serie gefertigte Gleichstrommotoren elektrisch und mechanisch nie identisch sind: Kleine Unterschiede in der inneren Reibung, der Magnetstärke und der Traktion der Räder führen bei exakt gleicher elektrischer Ansteuerung zu unterschiedlichen Drehzahlen.

Im Unterricht oder im Wettbewerbsworkshop ist dieses Abdriften eine der ersten frustrierenden Hürden, auf die Schülerinnen und Schüler stoßen. Zu verstehen, warum es passiert – und warum schnelle Software-Tricks es nicht lösen –, ist die Brücke zwischen Spielzeugrobotik und echtem Ingenieurwesen.

Die Anatomie der Motorstreuung

Kleine Gleichstrom-Getriebemotoren, insbesondere die gelb ummantelten Hobbymotoren aus Bildungsbausätzen, werden mit weiten Fertigungstoleranzen gebaut. Mehrere mikroskopische Unterschiede sorgen dafür, dass sich Motor A anders verhält als Motor B:

• Spulenwicklung und Innenwiderstand: Der um den Anker gewickelte Kupferdraht schwankt leicht in Länge und Spannung, was zu kleinen Unterschieden im Widerstand und in der Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) führt.
• Stärke der Permanentmagnete: Gesinterte Ferritmagnete weisen kleine Abweichungen in der magnetischen Flussdichte auf, was das abgegebene Drehmoment verändert.
• Reibung der Bürstenkontakte: Mechanische Bürsten drücken mit unterschiedlicher Federspannung auf den Kommutator und erzeugen ungleichmäßigen Widerstand.
• Getriebetoleranzen: Die mehrstufigen Stirnradgetriebe an diesen Motoren erfahren je nach Gleichmäßigkeit des Zahnprofils, Ausrichtung der Wellen und Verteilung des Schmiermittels unterschiedlich viel Reibung.

Auch außerhalb des Motors verstärken mechanische Faktoren das Problem. Sitzt ein Gummireifen 0,5 mm weiter auf der Felge, ändert sich sein effektiver Abrollradius. Sitzt der Akkupack des Roboters 10 mm links der Mittellinie, wirkt auf das linke Rad eine höhere Normalkraft und damit ein größerer Rollwiderstand. Das Ergebnis ist ein asymmetrisches Fahrwerk.

Warum fest einprogrammierte „Trims“ immer scheitern

Die intuitive Reaktion der Lernenden ist, die Motoren im Code von Hand auszugleichen:

// Der übliche Behelf für Einsteiger
motorLeft.setSpeed(255);
motorRight.setSpeed(238); // den schnelleren Motor herunterregeln

Das nennt man Steuerung ohne Rückführung: Man schickt einen Befehl und nimmt an, dass die reale Ausgabe der Anforderung entspricht, ohne das Ergebnis zu prüfen. Ein manueller Abgleich mag den Roboter auf glattem Linoleum mit frischen Akkus drei Meter geradeaus fahren lassen, unter realen Bedingungen fällt er jedoch zuverlässig auseinander:

• Entladekurven der Akkus: Wenn die Akkuspannung über eine 45-minütige Unterrichtsstunde sinkt, verlieren Gleichstrommotoren ihre Drehzahl nicht linear. Ein bei 8,2 V kalibrierter Abgleich zieht zur Seite, sobald der Pack auf 7,4 V fällt.
• Wechselnde Oberflächenreibung: Der Wechsel von glatten Fliesen im Fachraum auf kurzflorigen Objektteppich verändert den Rollwiderstand an beiden Reifen ungleichmäßig.
• Thermische Veränderungen: Wenn sich Getriebe und Motorwicklungen im Dauerbetrieb erwärmen, sinkt die innere Reibung und das Drehzahlverhältnis zwischen beiden Seiten verschiebt sich.

Die Lösung: geschlossener Regelkreis mit Encodern

Damit ein Roboter unabhängig von Akkuspannung und Untergrund geradeaus fährt, muss der Mikrocontroller in Echtzeit messen, was die Räder tatsächlich tun. Dafür braucht es einen geschlossenen Regelkreis.

Am einfachsten gelingt das mit Drehgebern an den Rädern. Ein Encoder besteht aus einem Sensor (meist eine Lichtschranke oder ein magnetischer Hall-Sensor) und einem rotierenden Element an Motorwelle oder Rad (einer Schlitzscheibe oder einem mehrpoligen Magnetring). Bei jeder Radumdrehung gibt der Sensor Impulse ab.

Proportionale Drehzahlregelung umsetzen

Für einen funktionierenden geschlossenen Regelkreis brauchen Sie keine fortgeschrittene Analysis. Ein einfacher Proportionalregler (P-Regler), der alle 50 bis 100 Millisekunden durchläuft, genügt für Robotik im Unterricht.

Statt rohe Motorleistung vorzugeben, misst Ihr Programm die Radumdrehungen über ein festes Zeitfenster und passt die Leistung so an, dass die Differenz verschwindet:

1. Zählen Sie die Encoder-Impulse beider Räder über ein festes Fenster (zum Beispiel alle 50 ms).
2. Berechnen Sie den Fehler: error = leftTicks - rightTicks.
3. Ist error > 0, dreht das linke Rad schneller als das rechte. Verringern Sie das PWM des linken Motors leicht, erhöhen Sie das des rechten leicht, oder wenden Sie einen zur Fehlergröße proportionalen Korrekturwert an: correction = error * Kp (wobei Kp eine abgestimmte Verstärkungskonstante ist).
4. Setzen Sie die Impulszähler zurück und wiederholen Sie den Vorgang.

Wer ein eigenes Unterrichtscurriculum aufbaut oder Hardwareplattformen beschafft, spart dutzende Stunden Frust bei den Lernenden, wenn er Bausätze mit interruptfähigen Mikrocontrollern und integrierten magnetischen Encodern wählt – etwa die modularen Ökosysteme, die auf Plattformen wie Sheen Canvas oder den Robotikplattformen unter Infinity unterstützt werden. Der Lernfokus verschiebt sich damit vom Kampf gegen mechanische Mängel hin zum Beherrschen von Sensorrückführung und Regelungstheorie.

Das Wichtigste in Kürze

Mechanische Unzulänglichkeiten sind keine Mängel, die man mit provisorischen Software-Pflastern verstecken sollte; sie sind die grundlegende Realität des physischen Rechnens. Lernenden beizubringen, die tatsächliche Motorleistung mit Encodern und Algorithmen mit Rückführung zu messen, verwandelt eine verbreitete Frustquelle im Workshop in eine zugängliche, praxisnahe Lektion über reale Regelungssysteme.