DE102013203811A1

DE102013203811A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Identifizierung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102013203811A1
Application number: DE201310203811
Authority: DE
Inventors: Hamit Hacioglu; Hanne Beck; Jamshid Shokrollahi
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-11
Also published as: CN104035028B; US20140253007A1; CN104035028A; US9800197B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Herausforderungs-Antwort-Paars in einer elektrischen Maschine als Basis für eine Identifizierung oder Authentifizierung, wobei die elektrische Maschineeinen Stator und einen Rotor aufweist, wobei als Herausforderung eine erste Wechselspannung (V2) zwischen zwei Punkten eines ersten festgelegten Punktepaars (12, 14) der elektrischen Maschine angelegt wird, welche eine Induktion in der elektrischen Maschine bewirkt, wobei als Antwort eine Größe abhängig von der bewirkten Induktion bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung (V2) eine Frequenz aufweist, welche höher als die Arbeitsfrequenz der elektrischen Maschine ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Herausforderungs-Antwort-Paars in einer elektrischen Maschine zur Identifizierung dieser Maschine.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2010 038 703 B3 ist ein Verfahren bekannt, das elektrische Eigenschaften einer rotierenden elektrischen Maschine zur Unterscheidung einzelner elektrischer Maschinen einer gleichen Produktionsserie voneinander verwendet ("Fingerabdruck"). In dieser Druckschrift wurde vorgeschlagen, elektrische Eigenschaften, insbesondere die Induktion von elektrischen Maschinen, zu ihrer Identifizierung zu verwenden. Diese Vorgehensweise basiert auf der Annahme, dass aufgrund beispielsweise von Unterschieden in den Wicklungen der individuellen elektrischen Maschinen, welche auch bei elektrischen Maschinen einer einzigen Produktionsserie festzustellen sind, die entsprechenden Induktionen unterschiedlich sein werden, wobei diese Differenzen bzw. Unterschiede zur Unterscheidung der elektrischen Maschinen voneinander verwendet werden können. Dieses Verfahren funktioniert jedoch (bei Verwendung von relativ preiswerten Messsystemen) nur für Vorrichtungen, welche lediglich niedrigen bis mittleren Qualitätsanforderungen entsprechen und entsprechend große Toleranzen aufweisen. Für Produktionsserien, welche höheren Toleranzanforderungen entsprechen müssen, sind die Unterschiede in den genannten Parametern bzw. elektrischen Eigenschaften sehr klein, so dass eine Identifizierung individueller elektrischer Maschinen, insbesondere bei Verwendung von relativ einfachen Messvorrichtungen, schwierig bzw. kaum möglich ist. Auf jeden Fall müssen hierfür sehr aufwendige und somit teure Messsysteme verwendet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, ein einfaches Identifizierungsbzw. Authentifizierungsverfahren für rotierende elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, welches auch für Produktionsserien mit geringen Toleranzen verwendbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 zur Verfügung.
Erfindungsgemäß wird als Herausforderung eine erste Spannung zwischen den Punkten eines ersten festgelegten Punktepaars der elektrischen Maschine angelegt bzw. erzeugt, welche ein Induktion in der elektrischen Maschine bewirkt, wobei als Antwort eine Größe abhängig von der bewirkten Induktion bestimmt wird. Die angelegte erste Spannung ist hierbei eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die höher ist als die Arbeitsfrequenz der elektrischen Maschine.
Erfindungsgemäß wird die Erfassung einer Frequenzantwort der zu identifizierenden bzw. authentifizierenden elektrischen Maschinen als physikalisch nichtklonbare Funktion (physical unclonable function, PUF) herangezogen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist bevorzugt, dass die erste Spannung eine Frequenz aufweist, die wenigstens das 50-fache, insbesondere wenigstens das 100-fache der Arbeitsfrequenz der elektrischen Maschine aufweist.
Durch Anlegen derartiger Frequenzen an ein festgelegte Punktepaar der elektrischen Maschine können auch für Produktionsserien mit sehr geringen Toleranzen und einzelner Maschinen dieser Produktionsserie wirksam voneinander unterschieden werden.
Besonders bevorzugt ist, dass die erste Spannung eine Frequenz von wenigstens 10 MHz, bevorzugt wenigstens 15 MHz aufweist. Derartige Frequenzen sind für elektrische Maschinen, welche als typische Arbeitsfrequenzen beispielsweise Frequenzen im Bereich von 6 KHz bis 10 KHz aufweisen, in günstiger Weise einsetzbar. Hier wird die Erfassung einer Hochfrequenzantwort der zu identifizierenden bzw. authentifizierenden elektrischen Maschinen als physikalisch nichtklonbare Funktion (physical unclonable function, PUF) herangezogen.
Es ist besonders bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren für unterschiedliche Frequenzen durchgeführt wird, wobei die Frequenzen insbesondere über einen vorbestimmten Frequenzbereich diskret oder kontinuierlich variiert werden. Insbesondere ein Frequenzbereich von 10 bis 15 MHz erweist sich für viele Anwendungen als besonders zweckmäßig. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise in gleichmäßigen Abständen über diesen Frequenzbereich ergeben sich für einzelne zu identifizierende elektrische Maschinen charakteristische Herausforderungs-Antwort-Kurven.
Besonders bevorzugt ist, als Antwort eine zweite Spannung zwischen Punkten eines zweiten festgelegten Punktepaars der elektrischen Maschine zu bestimmen. Eine derartige entsprechend der ersten Spannung hochfrequente zweite Spannung ist in einfacher und genauer Weise erfassbar.
Es ist bevorzugt, dass die erste Spannung an ein erstes Paar von Anschlüssen einer Deltaverbindung eines Stators angelegt, und die zweite Spannung an ein zweites, von dem ersten Paar unterschiedliches Paar von Anschlüssen der Deltaverbindung des Stators erfasst wird. Es ist jedoch gleichfalls möglich, das erfindungsgemäße Verfahren an entsprechenden Anschlusspaaren einer Dreieckverbindung eines Stators und/oder eines Rotors anzulegen bzw. zu erfassen. Insbesondere ist es möglich, dass erste Paar von Anschlüssen an einem Stator, und das zweite Paar von Anschlüssen an einem Rotor vorzusehen, oder umgekehrt.
Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für eine geeignete Anzahl von Frequenzen über einen vorbestimmten Frequenzbereich das Verhältnis der ersten Spannung zur zweiten Spannung gebildet, und gegen die jeweilige Frequenz der ersten Spannung aufgetragen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer Schaltung einer elektrischen Maschine einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung bzw. Bestimmung eines Herausforderungs-Antwort-Paares, und
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß verwendbaren Antwortfunktion.
In 1 ist mit 10 eine als Dreieck- bzw. Delta-Schaltung ausgebildete Schaltung der Wicklungen des Stators einer elektrischen Maschine bezeichnet. Die (nicht dargestellten) Wicklungen sind zusätzlich mit einer dreiphasigen Diodenbrücke verbunden, welche hier jedoch aus Gründen der Einfachheit der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt ist. Während der erfindungsgemäß durchzuführenden Erzeugung eines Herausforderungs-Antwort-Paars ist keine dieser Dioden eingeschaltet. Die Leiter zur Versorgung der Wicklungen sind ebenfalls nicht dargestellt. Zur Erzeugung der Herausforderung bzw. des Herausforderungssignals dient ein Wechselspannungsgenerator 20. Die von diesem Wechselspannungsgenerator erzeugte Spannungsamplitude wird mit einem Spannungsmessgerät 22 gemessen. Die Antwort bzw. Antwortfunktion wird gemessen mit einem Spannungsmessgerät 26.
Eine Spannung V2 wird mittels des Wechselspannungsgenerators 20 auf ein erstes Paar 12, 14 der Anschlüsse der Delta-Schaltung 10 angelegt. Diese angelegte Spannung V2 wird mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung 22 gemessen. Die Vorrichtung 22 kann auch im Generator 20 oder an einer anderen geeigneten Stelle der zu identifizierenden elektrischen Maschine vorgesehen sein. Die Spannung V2 ist hierbei eine hochfrequente Wechselspannung im Frequenzbereich zwischen 15 und 25 MHz. Da ein Stator typischerweise eine niedrige Impedanz aufweist, ist ein Widerstand 24 zur Strombegrenzung vorgesehen.
An einem zweiten Anschlusspaar 14, 16 der Delta-Schaltung 10 wird mittels des Spannungsmessgeräts 26 eine von der ersten Spannung V2 verursachte bzw. induzierte zweite Spannung V1 mittels einer zweiten Spannungsmessvorrichtung gemessen.
Das Verhältnis der Amplituden der Spannungen V1 und V2 hängt ab von der gegenseitigen und eigenen Induktivität der Wicklungen des Stators ab. Diese Amplituden werden zur Bestimmung dieses Verhältnisses als Spannungssignale auf eine (nicht gezeigte) Auswerteeinrichtung gegeben. Die Auswerteeinrichtung bestimmt das Verhältnis der Amplituden von V2/V1 in Abhängigkeit von der angelegten hochfrequenten Wechselspannung.
Die in der 1 beispielhaft dargestellte Schaltung stellt eine Delta-Dreiphasenschaltung dar. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf beliebige andere Schaltungen von elektrischen Maschinen anwenden, beispielsweise Sternschaltungen, oder auch auf Schaltungen mit mehr als drei Phasen.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die 1 beispielhaft erklärt für den Fall, dass sowohl die Herausforderung als auch die Antwort an jeweiligen Punktepaaren eines Stators bestimmt werden. Es ist gleichfalls möglich, beide Punktepaare an einem Rotor einer elektrischen Maschine auszuwählen bzw. vorzusehen. Gleichfalls ist möglich, ein erstes Punktepaar für eine Herausforderung an einem Stator, und ein zweites Punktepaar für die Antwort an einem Rotor vorzusehen, oder umgekehrt.
Erfindungsgemäß wird das Verhältnis der Amplituden V2/V1 über einen geeigneten Frequenzbereich, bevorzugt den erwähnten Frequenzbereich von 15 bis 25 MHz, erfasst, und gegen die jeweilige Wechselspannungsfrequenz der Spannung V2 aufgetragen.
In 2 ist dieses Verhältnis V2/V1 als Funktion der Frequenz von V2 beispielhaft für vier unterschiedliche elektrische Maschinen einer gleichen Produktionsserie dargestellt. Man erkennt, dass für diesen Frequenzbereich die einzelnen elektrischen Maschinen aufgrund ihrer V2/V1 Verhältnisse voneinander unterscheidbar sind.
Zur optimalen Ausgestaltung bzw. Vorbereitung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, Wechselspannungsfrequenzen, bzw. -frequenzbereiche auszuwählen, für welche die als Antwort verwendeten elektrischen Eigenschaften der jeweiligen elektrischen Maschinen die größten Unterschiede aufweisen. Im Folgenden sei von Frequenzen f₁, f₂ ... bis f_n als jeweiligen Frequenzen der ersten Wechselspannung V2, und von E₁, E₂ ... E_n als entsprechenden bzw. jeweils zugeordneten elektrischen Eigenschaften ausgegangen. Im vorangehenden Beispiel stellen somit die Amplitudenverhältnisse V2/V1 diese elektrischen Eigenschaften dar.
Hier erweist sich z.B. ein Verfahren in der Art der Hauptkomponentenanalyse (englisch: principal component analysis, PCA) als vorteilhaft einsetzbar, um die Frequenzen bzw. Frequenzbereiche ausfindig zu machen, bei welchen die größten Unterschiede in einer Gruppe von verschiedenen elektrischen Maschinen einer Produktionsserie zu erwarten sind. Diese Frequenzen f₁, f₂ ..., f_n oder eine Teilmenge von diesen stellen hierbei Herausforderungen für physikalisch nichtklonbare Funktionen, und die elektrischen Eigenschaften E₁, E₂ ... E_n die jeweiligen zu erwarteten Antworten dar.
Nach Auffinden geeigneter Frequenzen bzw. Frequenzbereiche wird für jede individuelle elektrische Maschine der Produktionsserie z.B. die Funktion ermittelt, wie sie in 2 dargestellt ist. Die entsprechenden Funktionen können dann anschließend für die Identifizierung bzw. Authentifizierung der jeweiligen elektrischen Maschinen verwendet werden.
Für eine spätere Identifizierung müssen lediglich die ausgewählten Spannungsfrequenzen als Herausforderungen an die jeweiligen elektrischen Maschinen angelegt werden, und die entsprechenden Antworten gemessen werden. Hierbei werden Rauscheffekte zu kompensieren sein. Es sei angemerkt, dass die zur späteren Identifizierung verwendeten Amplituden denjenigen der ursprünglichen gewählten Spannungssignale entsprechen können, dies aber nicht müssen.
Typische Arbeitsfrequenzen von elektrischen Maschinen, beispielsweise Lichtmaschinen, liegen im Bereich 6 KHz bis 10 KHz. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Messfrequenzen bzw. Herausforderungsfrequenzen der ersten Spannung V2 betragen typischerweise wenigstens das hundertfache, also wenigstens etwa 0,5 oder 1 MHz. Besonders bevorzugt sind Messfrequenzen im Bereich von 15–25 MHz, wie oben erläutert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010038703 B3 [0002]

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Herausforderungs-Antwort-Paars in einer elektrischen Maschine als Basis für eine Identifizierung oder Authentifizierung, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei als Herausforderung eine erste Wechselspannung (V2) zwischen zwei Punkten eines ersten festgelegten Punktepaars (12, 14) der elektrischen Maschine angelegt wird, welche eine Induktion in der elektrischen Maschine bewirkt, wobei als Antwort eine Größe abhängig von der bewirkten Induktion bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung (V2) eine Frequenz aufweist, welche höher als die Arbeitsfrequenz der elektrischen Maschine ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung (V2) eine Frequenz aufweist, die wenigstens das 50-fache, insbesondere wenigstens das 100-fache der Arbeitsfrequenz der elektrischen Maschine aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung (V2) eine Frequenz von wenigstens 10 MHz, bevorzugt wenigstens 15 MHz aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für Wechselspannungen mit unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt wird, wobei die Frequenzen insbesondere über einen vorbestimmten Frequenzbereich, insbesondere einen Frequenzbereich von 10–15 MHz, diskret oder kontinuierlich variiert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Antwort eine zweite Wechselspannung (V1) zwischen zwei Punkten eines zweiten festgelegten Punktepaars (14, 16) der elektrischen Maschine bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung (V2) an ein erstes Paar von Anschlüssen einer Deltaverbindung eines Stators angelegt, und die zweite Wechselspannung (V1) an einem zweiten, von dem ersten Paar unterschiedlichen Paar von Anschlüssen der Deltaverbindung des Stators erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine geeignete Anzahl von Frequenzen über einen vorbestimmten Frequenzbereich, insbesondere einen Frequenzbereich von 10–15 MHz, das Verhältnis der Amplituden der ersten und der zweiten Wechselspannung (V2/V1) gebildet und gegen die jeweilige Frequenz der ersten Wechselspannung (V2) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorab geeignete Frequenzen bzw. Frequenzbereiche bestimmt oder berechnet werden.
Vorrichtung zur Erzeugung eines Herausforderungs-Antwort-Paares in einer elektrischen Maschine, welche einen Stator und einen Rotor aufweist, als Basis für eine Identifizierung oder Authentifizierung, mit einer Einrichtung (20, 22) zum Anlegen einer ersten Wechselspannung (V2) zwischen zwei Punkten eines ersten festgelegten Punktepaars (12, 14) der elektrischen Maschine, welche eine Induktion in der elektrischen Maschine bewirkt, und einer Einrichtung (26) zur Erfassung einer Größe, die abhängig von der bewirkten Induktion ist, als Antwort, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20, 22) eine Wechselspannung mit einer Frequenz erzeugt, welche höher als die Arbeitsfrequenz der elektrischen Maschine ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung eine Frequenz aufweist, die wenigstens das 50-fache, insbesondere wenigstens das 100-fache der Arbeitsfrequenz der elektrischen Maschine aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselspannung eine Frequenz von wenigstens 10 MHz, bevorzugt wenigstens 15 MHz aufweist.