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电驱 PWM “伞状噪声” 深度解析

NVH仿真试验

9月前浏览853

在电驱系统的 NVH（噪声、振动与声振粗糙度）分析中，“伞状噪声” 是 PWM 调制特有的噪声类型 —— 其本质是将电池直流电逆变为电机用交流电的过程中，PWM 开关频率与调制波频率相互作用，产生的边带谐波引发的噪声。

在频谱图上，“伞状噪声”通常表现为两组明显的“伞形” 谐波簇：

第一组由开关频率的 1 次谐波与调制波频率的整数倍组合而成（即 “开关频率 ±n× 调制波频率”）；第二组由开关频率的 2 次谐波与调制波频率的整数倍组合而成（即 “2× 开关频率 ±n× 调制波频率”）。

从人耳的主观感受来看：开关频率的 2 次谐波对应的边带簇，因特征频率较高，人耳对其感知较弱；而开关频率 1 次谐波对应的伞状噪声，频率更接近人耳敏感频段，因此是电驱近场噪声的主要贡献源。

声音信号全频段

声音信号高通8000Hz

1、基本概念

脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）是一种通过调控脉冲序列的宽度占比，来 “等效模拟” 目标波形（包括波形形状与幅值）的技术。

在电驱系统中，PWM 的开关频率会直接影响性能：优势：在合理范围内，开关频率越高，PWM 生成的等效正弦波越接近理想正弦波，电机的振动、噪声表现也会更好；

代价：开关频率越高，功率器件（如 IGBT）的开关损耗会同步增加，整个电驱系统的能量效率会随之降低。

因此实际工程中，开关频率的选择需要在“波形质量 / 噪声性能” 与 “能量效率” 之间做平衡。

直流斩波器：

控制器（如 MCU）生成的 PWM 波是低电压、小电流的 “控制信号”，无法直接驱动负载；直流斩波器则是功率放大单元，接收 PWM 控制信号后，通过内部开关器件（如 IGBT）的通断，输出高电压、大电流的 PWM 功率波，驱动电机等负载。

当开关s导通时，直流电源电压Us加到电动机上，当s关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经续流二极管VD续流，电机两端电压接近于零

2.伞状噪声是怎么形成的？

伞状噪声是 PWM 调制在频域上的典型特征。从 NVH 的源 - 路径 - 响应理论分析：路径传递特性与响应端的结构特性，均不会产生伞状噪声，因此该噪声的根源必然是电流源的激励信号本身带有伞状频率特征。下面围绕 PWM 波的形成原理，重点分析这一特征的来源：

PWM 波是通过 **“比较法”** 由载波与调制波生成的，两者的参数与电机运行直接关联：载波通常为高频对称三角波，其频率对应逆变器的开关频率；调制波是系统期望输出的低频正弦波，其频率与电机的电角速度直接相关，进而对应电机的机械转速。

下图为通过比较法生成的 PWM 信号，核心生成规则如下（红框内为最终输出的 PWM 波形）：

当调制波幅值 > 载波幅值时，比较器输出高电平；

当调制波幅值 < 载波幅值时，比较器输出低电平。

3．伞状阶次形成机理

通过计算傅里叶系数可得到：PWM 波的谐波分量集中在 “载波频率±调制波频率的整数倍” 处

时域描述：实际 PWM 中，脉冲的宽度随调制波变化等效为 “高频载波被调制波‘ amplitude 调制’”，数学上可近似表示为

波形演示可通过LMS进行进行合成，红色线是调制波形

频域描述：两个时域信号相乘，在频域上对应 *“频谱的卷积”*（即 “频率成分的叠加 / 偏移”）频域卷积的效果是都向左右各平移fm的距离，下图是载波频率为8000Hz，调制频率为500Hz调制信号的FFT变换。

4.PWM噪声解决方案

首先开关频率不能设置太低，过低对NVH性能影响加大，且声学包对低频吸声效果较差，且在人耳敏感区域，一般为10K左右

随机PWM的应用：固定 PWM 载波频率的问题PWM 调制用的是固定高频载波（比如 10kHz），这会导致开关噪声的能量会集中在载波频率及附近的边频上；高频开关噪声会被放大，NVH 表现变差。若改变开关频率，或改变开关器件的导通位置（比如让开关时刻“随机” 一点），就能让原本集中在固定频率的能量，分散到更宽的频率范围里

固定 PWM 频率会让噪声 / 干扰 “堆” 在一个频率上，太吵 / 太干扰；通过折腾开关频率或开关时机，把噪声 / 干扰 “摊” 开，问题就缓解了