前一篇文章写了PID控制算法，大家都很认可，后面我想结合PID算法来给大家讲些实战项目，比如PID控制电机转速等，提高大家的实际应用能力。但是在控制电机之前，我们通过这篇文章来学习一下电机是如何工作的吧以及我们如何控制它？
电机在我们生活中几乎随处可见，小到电动牙刷，大到新能源电动汽车中都用到了不同类型的电机。电机是动力引擎，动力的来源，任何需要动力输出的系统都会用到它。因此我们要掌握它的工作原理以及如何控制它。本文将采用大白话的方式，以直流有刷电机为例，让大家理解电机的基本工作原理，通俗易懂，一篇就够，一定要看完！
电机的演变过程-从磁铁到电机
说到电机，我们必须要从磁铁说起，因为电机其实就是利用磁铁的特性来实现转动的。
磁铁
说起磁铁，我们都知道有两个极，一个S极（南极），一个N极（北极），如上图，我们地球就是一个巨大的磁铁。
磁铁能够吸附很多金属的东西，而且磁铁还有个很重要的特性：同极相互排斥，异极相互吸引。
异极相互吸引
同极相互排斥
大白话讲就是两个磁铁靠近，如果靠近两端是同一个极，比如都是N或者都是S,那么两个磁铁之间就会产生排斥力，把对方推开。相反，如果靠近两端是不同的极，也就是N与S,那么两个磁铁之间就会产生吸引力，吸到一起。
可旋转磁铁
如上图，如果我们将其中一块磁铁加上一个旋转轴，固定起来，然后再拿另外一块磁铁去靠近它，因为靠近可旋转磁铁的这一端是S极，和可旋转的磁铁N极吸引，与S极排斥，这样可旋转磁铁就会顺时针旋转起来，直到变成下面两磁铁平行状态，到此可旋转磁铁已经旋转1/4圈。
平行状态
接着如果我们把右边靠近磁铁调个头，NS两极对换，如下图，
NN排斥
这样因为N极比较靠近可旋转磁铁，所以会NN排斥，可旋转磁铁就会顺时针又旋转1/4圈。
接着又因为NS吸引，可旋转磁铁会继续旋转1/4圈，如下图：
NS吸引
最终达到下面平行状态，到此可旋转磁铁已经转了3/4圈。
平行
这个时候如果我们继续把右边靠近磁铁调换两极，那么SS同极就会产生排斥力，所以可旋转磁铁继续顺时针旋转，如下图，这样可旋转磁铁继续旋转1/4圈，到此已经旋转一圈。
ss排斥
这样也回到最开始状态，接着又因为NS相吸引，继续顺时针旋转，新的一圈选择开始，如果我们持续如上周期性切换靠近磁铁的两极，那么左边可旋转磁铁就会这样周期转起来。
电磁铁
怎么样，看到这里是不是就发现这个转起来的磁铁是不是就是电机的雏形，但是他又怎么和电联系上的，电机不是用电转起来的吗？那就接着往下看。
电磁铁
如上图，我们知道普通的螺丝是没有磁性的因为它就是普通铁金属。但是如果我们在螺钉上面缠绕线圈，并且给线圈通上电，那么这个时候线圈加螺钉就会产生磁场，就跟上面棒状磁铁一样，也就是所谓的电磁铁。电磁铁是利用电流来产生磁力的，属非永久磁铁，也就是说断电就没有磁力了。而上面磁铁旋转实验中用的那个磁铁不需要电，是永磁铁。当电流通过导线时会产生磁场，而通过作成螺线管的导体时则会产生类似棒状磁铁的磁场。在螺线管的中心加入一铁磁性物质（这里我们是螺钉），则此磁性物质会被磁化而达到加强磁场的效果。当我们切换电流方向，电磁铁是磁极也会切换。
电磁铁所产生的磁场强度与直流电大小、线圈圈数及中心的导磁物质有关，在设计电磁铁时会注重线圈的分布和导磁物质的选择，并利用直流电的大小来控制磁场强度。
到这里，大家想想，如果我们把上面旋转实验中可旋转磁铁换成这种电磁铁，是不是一切就得到控制了。如下图，比如我们给电磁铁导线通上电，那么它就有了磁力，NN排斥，电磁铁就会顺时针转起来。
NN排斥
如果我们继续改变可旋转电磁铁导线中电流方向，是不是就很容易调换电磁铁NS两极，电磁铁是不是可以继续旋转，和上面永磁铁旋转的道理是一样的。
好，为了加大磁力，旋转速度，可以在旋转电磁铁的左边对称右边的磁铁也放一个永磁铁，它靠近电磁铁的极性和右边靠近磁铁极性相反，为S,右边为N。这样可旋转电磁铁的两边都会受到磁力，所以旋转会更有力。如下图：
两边永磁铁
电枢
我们继续做优化，把两边的有磁铁替换成磁性更强的弯曲永磁铁。如下图：
弯曲永磁铁
接着把中间的可旋转螺钉圈线换成导电性更好的金属环形回路，金属环路通上电之后产生磁性，就像是一个扁平的电磁铁。如下图，电机中把环形回路称作电枢。
电枢
同上面旋转螺钉电磁铁一样的道理，如果我们给电枢通上电，并且持续周期性切换电流方向，是不是就可以实现电枢的持续旋转了。
换向器和电刷
如下图，我们给旋转电枢两端连接两个弧形圆片，他们是随着电枢一起旋转的，两个弧形圆片之间有间隙，被称为换向器。
换向器
换向器要结合电刷才能起到作用。在换向器两边分别放置两个弹性可伸缩的导电结构就是电刷，它与外面电路连接，在换向器旋转过程中保持不动，并且与外部电路连接导通，保证给电枢供电。如下图：
电刷
电刷和换向器结合是如何实现自动可旋转电枢自动调换极性的呢？
自动换向
如上图，假如左边电刷接的是电源正极，右边电刷接的是电源负极，此刻左电刷是和电枢的A换向器片接触导通，右电刷和电枢B换向片导通。但是如果电枢继续旋转半圈，就会左电刷和电枢的B换向片导通，右电刷和A换向器片导通的情况，这样电枢的正负极调换，电流方向调换，NS极性也就调换了,这样就实现了电机连续转动，同上。
多回路
现代电机一般弄很多个电枢回路，多个换向器，这样保证电机的旋转更顺畅。如上图。
上面我们已经介绍，电磁铁的磁力跟线圈密度有关系，所以现代电机一般也会增加电刷回路匝数，让旋转更快，旋转力更大。如下图：
匝数
同时将线圈缠绕在电磁体上，这样磁力会更强，转的更快。如下图：
电磁体
加上外壳，连接端子，大家看，完整直流电机大概就是下面这个构造，这个就和我们实际电机差不多了。
完整电机结构
物理电机
电机通上电之后，中间转动部分（转子）就会产生磁力，与旁边固定磁铁作用会旋转，转子带动旋转轴转动，旋转轴通过其它传动结构就能对外输出动力，一般旋转力被称作扭矩。
到此我们就把电机工作原理讲完了。
如何控制电机转速和扭矩？
对于使用电机，或者想控制直流电机的人，我们该如何控制呢？一般而言，直流电动机的转速和绕组的电动势（加在绕组上的电压减去本身的电阻压降）成正比，其力矩和电流成正比。转动速度的控制一般可以用控制电机输入电压的方式达成。电压越大，转速越快。
所以对于一个给定的直流电机，由于电机自身的物理参数已经定死，我们无法改变，比如转子转动惯量，线圈匝数等，但是对于控制人员能做的就是通过调节输入电机两端的电压来控制电机的转速，通过调节输入电流来控制力扭矩。
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