Multi-Star PMSMs for low-voltage drives: modeling, design and control

Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs) are increasingly adopted in modern electric drive systems thanks to their high efficiency, compactness, and excellent torque density. While conventional PMSMs rely on a single three-phase stator winding, recent research has shown growing interest in multi-star configurations, where multiple independent three-phase winding sets are placed on the stator. These architectures offer significant advantages in terms of fault tolerance, current sharing and reduced torque ripple. Most existing studies focus on dual three-phase PMSMs supplied by high-voltage DC buses, whereas low-voltage multi-star drives remain comparatively underexplored. This thesis investigates the modeling, design, and control of PMSM drives equipped with multiple three-phase stator winding sets specifically conceived for low-voltage and low-power operation. A general mathematical model for multi-star PMSMs is developed starting from the dual three-phase case and extending the formulation to an arbitrary number of winding sets, with emphasis on the aspects most relevant for control. A dual three-phase PMSM is designed using FEMM software, providing the electrical parameters needed for subsequent simulation and control. The same methodology is then applied to the design of a quadruple three-phase PMSM, demonstrating the flexibility of the approach. Both machines are integrated into complete electric drive systems implemented in Simulink, including power electronics, mechanical load, and closed-loop control. Simulation results validate the effectiveness of the proposed models and control strategies under different operating conditions. In particular, the analysis of inverter short-circuit fault condition highlights the intrinsic fault-tolerant capabilities of multi-star PMSMs.

I motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) trovano un impiego sempre più diffuso nei moderni sistemi di azionamento elettrico grazie alla loro elevata efficienza, compattezza e ottima densità di coppia. Sebbene la configurazione tradizionale preveda un unico avvolgimento statorico trifase, negli ultimi anni è cresciuto l’interesse verso architetture multi-stella, in cui più insiemi trifase indipendenti sono distribuiti sullo statore. Queste soluzioni offrono vantaggi significativi in termini di tolleranza ai guasti, ripartizione della corrente e riduzione delle oscillazioni di coppia. La maggior parte degli studi disponibili si concentra su PMSM a doppia stella alimentati da bus DC ad alta tensione, mentre gli azionamenti multi-stella a bassa tensione risultano poco esplorati. La presente tesi affronta la modellazione, la progettazione e il controllo di azionamenti PMSM dotati di più avvolgimenti statorici trifase, specificamente concepiti per funzionamento a bassa tensione e bassa potenza. Viene sviluppato un modello matematico generale per macchine multi-stella, partendo dal caso a doppia stella ed estendendo la formulazione a un numero arbitrario di avvolgimenti, con particolare attenzione agli aspetti più rilevanti per il controllo. Un PMSM a doppia stella viene progettato tramite software FEMM, ottenendo i parametri elettrici necessari per le successive fasi di simulazione e controllo. La stessa metodologia viene applicata alla progettazione di un PMSM a quattro stelle, dimostrando la flessibilità dell’approccio. Entrambe le macchine sono integrate in sistemi di azionamento completi implementati in Simulink, comprendenti elettronica di potenza, carico meccanico e controllo in retroazione. I risultati di simulazione confermano l’efficacia dei modelli e delle strategie di controllo proposte in diverse condizioni operative. In particolare, l’analisi di un guasto di corto circuito su uno degli interruttori dell’inverter mette in evidenza le intrinseche capacità di tolleranza ai guasti delle macchine multi-stella.