VESC 从零开始制作无刷电机驱动器系列（一）

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VESC 官网链接：https://vesc-project.com/

自制 VESC 所需的硬件条件

• PCB及元器件
• 焊接设备（如电烙铁、热风枪、加热台，或外包SMT）
• 安全防护措施完善的电源
• 示波器（用于监测电气参数及调试）
• 万用表（用于监测电气参数及调试）
• 电机

VESC4 和 VESC6 的区别

• VESC4：两相分流设计，仅测量电机两相线的电流，通过理论计算得出第三相电流。
• VESC6：三相分流设计，提供更优的性能，支持更高的持续电流。
• 官网提供了 VESC4 和 VESC6 的原理图，但仅提供了 VESC4 的 PCB 文件。
• 本系列教程基于 VESC6，改进了官网原理图并替换了部分元器件。

VESC6 原理图分块分析

官网原理图：VESC_6.pdf
笔者开源原理图：VESC6 无刷电机驱动器 电调

核心一：MOS驱动

官方原版

官网原理图中，VESC 各版本均使用 DRV8301 作为 MOS 驱动芯片，其信号引脚较多，可分为以下几部分：

• 单片机信号引脚：INH_A/B/C、INL_A/B/C（与单片机输出的 PWM 信号相连），EN_GATE（使能脚），FAULT（故障指示）。
• 单片机 SPI 通信引脚：nSCS、SDI、SDO、SCKL（用于向上位机报告 DRV8301 状态及故障）。
• MOSFET 信号引脚：GH_A/B/C、SH_A/B/C、GL_A/B/C、SL_A/B/C、BST_A/B/C（与 MOSFET 各脚相连）。

其余电源相关引脚可参考 TI 数据手册：DRV8301

数据手册推荐的应用电路如下图所示：

笔者修改

笔者将DRV8301替换成了FD6288Q，做如此替换的优势有：

• FD6288Q 封装面积小，仅相当于DRV8301的1/6左右。
• FD6288Q 引脚数少，几乎仅保留了驱动MOS所必须的引脚，便于布线。
• FD6288Q 周围元件需求少，整块电路占用面积少。

缺点：

• 无通信引脚，主控无法从 MOS 驱动 IC 中读取报错信息。

注意事项：

• 由于设计目标是面向有一定基础的用户，且非商用，常见故障可通过外部快速排查，因此无需从 MOS 驱动 IC 获取报错信息。
• 替换后无需修改固件，官方固件可直接适配。
• FD6288Q 焊接难度较高，建议将焊盘拉长并使用热风枪焊接。

下图为笔者的 MOS 驱动电路原理图：

核心二：MOSFET

上图为 MOS 管连接图，马赛克部分为电流采样，将在后文说明。

MOS 的选型直接影响电调性能，以下为选型流程：

1. 耐压：MOS 管耐压 ${ V_{DS} }$ 应大于电源电压的 1.5~2 倍。
2. 电流：MOS 管的持续/峰值漏源电流 ${ I_D }$ 应大于实际需求的相电流。

   注意：相电流是比电源电流大的。

3. 开启电压：${ V_{GS} }$ 应能被 MOS驱动IC 驱动。
4. 导通电阻：${ R_{DS(ON)} }$，将直接影响电调发热情况，此值越小发热越少。
5. 门极电荷：${ Q_{g} }$，决定了MOS管的开关速度，开关速度越快，发热越小，但开关损耗越大。此值越小开关速度越快。
6. 价格：通常，上述参数越优，价格越高。其中，电压、电流参数为必须条件，其他参数请根据实际需求进行权衡。

核心三：采样

官方原版

上图为相电流采样的连接图。

• 电流检测放大器可以更换成任意增益为20V/V的同类器件。
• 采样电阻选型时要注意封装和功率，功率应尽量满足所需的最大功率，可以用 ${ P = I^2 * R }$ 来估算。通常，封装越大，功率越高，常见封装选择为 1216、2512、3920 等。

此外，还有电压采样电路：

笔者修改

• 电流采样放大器更换为 INA240A1PWR。
• 采样电阻更换为功率 9W 的 3920 封装合金电阻。
• 电压采样电阻更换为高精密、低温漂电阻，实际对性能有多大提升并没有进行过比较，考虑成本的情况下使用 1% 电阻就已足够。

文中总结

以上三部分是电机驱动器硬件的核心，直接决定了 VESC 的性能和硬件上限。设计时应优先完善这三部分。

注：MCU 和电机控制算法同样重要，但通常使用开源成熟算法。VESC 的 MCU 和固件已确定，难以替换，因此本文未讨论。

辅助电源

官方原版

官方原理图中，MCU 需要 3.3V，CAN 收发器等外设需要 5V，因此需两次降压：

• VCC to 5V：在DRV8301芯片上，自带一组BUCK控制引脚（BST_BK，PH，VSENSE），将其配置成BUCK降压电路，即可得到5V输出。
• 5V to 3.3V：使用一颗 DCDC 降压芯片（LM3671），将5V电压降到3.3V。

笔者修改

在笔者的设计中，FD6288Q需要12V的供电，CAN收发器等一些外设需要5V电压，MCU需要3.3V电压，因此笔者需要降压三次。

• VCC to 12V：使用一颗DCDC降压芯片，此处使用了MPS推荐的电调供电方案之一MP2460GJ-Z，搭配了MPS专门面向DCDC的电感，优点是整个降压部分占用面积小。

• VCC to 5V：和12V使用的相同方案，仅需替换电感和反馈电阻部分。

  没有选择其它芯片的原因是减少用料种类，便于采购、维护。

  没有选择将12V降压至5V，而是直接从VCC降压，是为了避免前级降压出问题导致后级全部瘫痪，尽量确保MCU的正常工作以便读取故障信息。

• 5V to 数字3.3V：使用一颗LDO，得到低纹波的逻辑电平，保证MCU及控制信号尽量不被干扰。

• 5V to 模拟3.3V：使用TPS7A2033超低噪声、高PSRR的LDO，提高模拟部分采样精度。

  当然，大多数设计中此处和直接数字3.3v使用同一个LDO，精度也基本够了。

  笔者将模拟和数字分开，以及上文的高精密电阻，其实是个人的设计习惯。

MCU

官方原版

VESC的MCU选型为STM32F405RGT6，下图为MCU相关引脚配置：

在官方原理图中，由于使用了IMU、无线模块，再加上与MOS驱动IC的通信，使用了很多MCU的引脚。如果不需要某些功能，可以删去对应的引脚。

笔者修改

笔者删去了IMU、无线模块、与MOS驱动IC通信、部分外部信号输入的引脚，最终对外仅保留了USB、CAN收发、HALL编码器、SPI编码器相关功能的引脚，引脚使用原理图如下：

注意事项：

• 霍尔编码器信号引脚需拉高，电机温度脚不使用时需拉高。
• 各信号脚可加 TVS 保护，推荐 TPSMF05CT1G。

CAN 收发器

这个没什么好讲的，网上一堆方案，都差不多，重点在走线，下图是笔者的CAN收发器原理图：

结尾

第一章到此结束，主要分析了 VESC 硬件原理图设计思路，帮助读者快速理解各部分作用。笔者的全部原理图预计于 2025 年下半年开源，届时将补充链接。

下一章将介绍 VESC 硬件的 PCB 部分，分享布线经验，以及一套焊接调试流程。

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