前一篇文章寫了PID控制算法，大家都很認可，後面我想結合PID算法來給大家講些實戰項目，比如PID控制電機轉速等，提高大家的實際應用能力。但是在控制電機之前，我們通過這篇文章來學習一下電機是如何工作的吧以及我們如何控制它？
電機在我們生活中幾乎随處可見，小到電動牙刷，大到新能源電動汽車中都用到了不同類型的電機。電機是動力引擎，動力的來源，任何需要動力輸出的系統都會用到它。是以我們要掌握它的工作原理以及如何控制它。本文将采用大白話的方式，以直流有刷電機為例，讓大家了解電機的基本工作原理，通俗易懂，一篇就夠，一定要看完！
電機的演變過程-從磁鐵到電機
說到電機，我們必須要從磁鐵說起，因為電機其實就是利用磁鐵的特性來實作轉動的。
磁鐵
說起磁鐵，我們都知道有兩個極，一個S極（南極），一個N極（北極），如上圖，我們地球就是一個巨大的磁鐵。
磁鐵能夠吸附很多金屬的東西，而且磁鐵還有個很重要的特性：同極互相排斥，異極互相吸引。
異極互相吸引
同極互相排斥
大白話講就是兩個磁鐵靠近，如果靠近兩端是同一個極，比如都是N或者都是S,那麼兩個磁鐵之間就會産生排斥力，把對方推開。相反，如果靠近兩端是不同的極，也就是N與S,那麼兩個磁鐵之間就會産生吸引力，吸到一起。
可旋轉磁鐵
如上圖，如果我們将其中一塊磁鐵加上一個旋轉軸，固定起來，然後再拿另外一塊磁鐵去靠近它，因為靠近可旋轉磁鐵的這一端是S極，和可旋轉的磁鐵N極吸引，與S極排斥，這樣可旋轉磁鐵就會順時針旋轉起來，直到變成下面兩磁鐵平行狀态，到此可旋轉磁鐵已經旋轉1/4圈。
平行狀态
接着如果我們把右邊靠近磁鐵調個頭，NS兩極對換，如下圖，
NN排斥
這樣因為N極比較靠近可旋轉磁鐵，是以會NN排斥，可旋轉磁鐵就會順時針又旋轉1/4圈。
接着又因為NS吸引，可旋轉磁鐵會繼續旋轉1/4圈，如下圖：
NS吸引
最終達到下面平行狀态，到此可旋轉磁鐵已經轉了3/4圈。
平行
這個時候如果我們繼續把右邊靠近磁鐵調換兩極，那麼SS同極就會産生排斥力，是以可旋轉磁鐵繼續順時針旋轉，如下圖，這樣可旋轉磁鐵繼續旋轉1/4圈，到此已經旋轉一圈。
ss排斥
這樣也回到最開始狀态，接着又因為NS相吸引，繼續順時針旋轉，新的一圈選擇開始，如果我們持續如上周期性切換靠近磁鐵的兩極，那麼左邊可旋轉磁鐵就會這樣周期轉起來。
電磁鐵
怎麼樣，看到這裡是不是就發現這個轉起來的磁鐵是不是就是電機的雛形，但是他又怎麼和電聯系上的，電機不是用電轉起來的嗎？那就接着往下看。
電磁鐵
如上圖，我們知道普通的螺絲是沒有磁性的因為它就是普通鐵金屬。但是如果我們在螺釘上面纏繞線圈，并且給線圈通上電，那麼這個時候線圈加螺釘就會産生磁場，就跟上面棒狀磁鐵一樣，也就是所謂的電磁鐵。電磁鐵是利用電流來産生磁力的，屬非永久磁鐵，也就是說斷電就沒有磁力了。而上面磁鐵旋轉實驗中用的那個磁鐵不需要電，是永磁鐵。當電流通過導線時會産生磁場，而通過作成螺線管的導體時則會産生類似棒狀磁鐵的磁場。在螺線管的中心加入一鐵磁性物質（這裡我們是螺釘），則此磁性物質會被磁化而達到加強磁場的效果。當我們切換電流方向，電磁鐵是磁極也會切換。
電磁鐵所産生的磁場強度與直流電大小、線圈圈數及中心的導磁物質有關，在設計電磁鐵時會注重線圈的分布和導磁物質的選擇，并利用直流電的大小來控制磁場強度。
到這裡，大家想想，如果我們把上面旋轉實驗中可旋轉磁鐵換成這種電磁鐵，是不是一切就得到控制了。如下圖，比如我們給電磁鐵導線通上電，那麼它就有了磁力，NN排斥，電磁鐵就會順時針轉起來。
NN排斥
如果我們繼續改變可旋轉電磁鐵導線中電流方向，是不是就很容易調換電磁鐵NS兩極，電磁鐵是不是可以繼續旋轉，和上面永磁鐵旋轉的道理是一樣的。
好，為了加大磁力，旋轉速度，可以在旋轉電磁鐵的左邊對稱右邊的磁鐵也放一個永磁鐵，它靠近電磁鐵的極性和右邊靠近磁鐵極性相反，為S,右邊為N。這樣可旋轉電磁鐵的兩邊都會受到磁力，是以旋轉會更有力。如下圖：
兩邊永磁鐵
電樞
我們繼續做優化，把兩邊的有磁鐵替換成磁性更強的彎曲永磁鐵。如下圖：
彎曲永磁鐵
接着把中間的可旋轉螺釘圈線換成導電性更好的金屬環形回路，金屬環路通上電之後産生磁性，就像是一個扁平的電磁鐵。如下圖，電機中把環形回路稱作電樞。
電樞
同上面旋轉螺釘電磁鐵一樣的道理，如果我們給電樞通上電，并且持續周期性切換電流方向，是不是就可以實作電樞的持續旋轉了。
換向器和電刷
如下圖，我們給旋轉電樞兩端連接配接兩個弧形圓片，他們是随着電樞一起旋轉的，兩個弧形圓片之間有間隙，被稱為換向器。
換向器
換向器要結合電刷才能起到作用。在換向器兩邊分别放置兩個彈性可伸縮的導電結構就是電刷，它與外面電路連接配接，在換向器旋轉過程中保持不動，并且與外部電路連接配接導通，保證給電樞供電。如下圖：
電刷
電刷和換向器結合是如何實作自動可旋轉電樞自動調換極性的呢？
自動換向
如上圖，假如左邊電刷接的是電源正極，右邊電刷接的是電源負極，此刻左電刷是和電樞的A換向器片接觸導通，右電刷和電樞B換向片導通。但是如果電樞繼續旋轉半圈，就會左電刷和電樞的B換向片導通，右電刷和A換向器片導通的情況，這樣電樞的正負極調換，電流方向調換，NS極性也就調換了,這樣就實作了電機連續轉動，同上。
多回路
現代電機一般弄很多個電樞回路，多個換向器，這樣保證電機的旋轉更順暢。如上圖。
上面我們已經介紹，電磁鐵的磁力跟線圈密度有關系，是以現代電機一般也會增加電刷回路匝數，讓旋轉更快，旋轉力更大。如下圖：
匝數
同時将線圈纏繞在電磁體上，這樣磁力會更強，轉的更快。如下圖：
電磁體
加上外殼，連接配接端子，大家看，完整直流電機大概就是下面這個構造，這個就和我們實際電機差不多了。
完整電機結構
實體電機
電機通上電之後，中間轉動部分（轉子）就會産生磁力，與旁邊固定磁鐵作用會旋轉，轉子帶動旋轉軸轉動，旋轉軸通過其它傳動結構就能對外輸出動力，一般旋轉力被稱作扭矩。
到此我們就把電機工作原理講完了。
如何控制電機轉速和扭矩？
對于使用電機，或者想控制直流電機的人，我們該如何控制呢？一般而言，直流電動機的轉速和繞組的電動勢（加在繞組上的電壓減去本身的電阻壓降）成正比，其力矩和電流成正比。轉動速度的控制一般可以用控制電機輸入電壓的方式達成。電壓越大，轉速越快。
是以對于一個給定的直流電機，由于電機自身的實體參數已經定死，我們無法改變，比如轉子轉動慣量，線圈匝數等，但是對于控制人員能做的就是通過調節輸入電機兩端的電壓來控制電機的轉速，通過調節輸入電流來控制力扭矩。
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