專利名稱：高保真度自動演奏器樂器、其中使用的自動演奏器和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于自動演奏樂曲的自動演奏器樂器(automatic playermusical instrument)，特別涉及一種用于在樂曲數(shù)據(jù)代碼的基礎上自動演奏樂曲的自動演奏器樂器、形成該自動演奏器樂器的一部分的自動演奏器、以及用于控制該自動演奏器樂器的方法。
背景技術：
自動演奏器鋼琴是自動演奏器樂器的典型示例。自動演奏器鋼琴是用原聲鋼琴和自動演奏系統(tǒng)制造的，并且自動演奏系統(tǒng)在諸如MIDI(樂器數(shù)字接口)協(xié)議中定義的樂曲數(shù)據(jù)代碼的樂曲數(shù)據(jù)代碼的基礎上有選擇地引起鍵運動。在鍵運動期間，黑鍵和白鍵通過動作單元引起弦槌的旋轉(zhuǎn)，并使弦槌在旋轉(zhuǎn)的終點與弦相碰撞。然后，弦開始振動，并且該振動產(chǎn)生鋼琴音調(diào)。
鋼琴音調(diào)的響度與撞擊弦之前瞬間的弦槌速度成比例，而弦槌速度與鍵軌跡上某個點的鍵速度成比例。由于這一原因，有可能通過控制黑鍵和白鍵來將鋼琴音調(diào)調(diào)整到目標響度。在下文中，將所述某個點稱為“基準鍵點”，并將基準鍵點處的鍵速度稱為“基準鍵速度”。在下文中，將先前在樂曲數(shù)據(jù)代碼的基礎上確定的鍵軌跡稱為“基準鍵軌跡”。只要黑鍵和白鍵在基準鍵軌跡上行進，黑鍵和白鍵就以基準鍵速度的目標值經(jīng)過基準鍵點。
電磁控制(solenoid-operated)的鍵致動器和合適的傳感器與數(shù)據(jù)處理單元一起形成伺服控制環(huán)。由于鍵速度隨著提供給電磁控制的鍵致動器的驅(qū)動信號的量值(magnitude)而變化，因此數(shù)據(jù)處理單元周期性地檢查代表鍵運動的鍵數(shù)據(jù)，以查看黑鍵和白鍵是否在基準鍵軌跡上行進。當黑鍵和白鍵在基準鍵軌跡上行進時，數(shù)據(jù)處理單元將驅(qū)動信號保持在該量值的目標值。然而，如果黑鍵和白鍵偏離了基準鍵軌跡，則數(shù)據(jù)處理單元增大或減小該量值的目標值，以便強迫黑鍵和白鍵在基準鍵軌跡上行進。這樣，在自動演奏期間，黑鍵和白鍵處于通過伺服控制環(huán)進行的控制之下。
在日本專利公開第2923541號和第2737669號以及日本專利申請公開第Hei 10-228276號中公開了現(xiàn)有技術的伺服控制技術。在日本專利公開第2923541號和第2737669號公開的現(xiàn)有技術伺服控制技術中，通過將目標鍵速度和目標鍵行程(keystoke)與從傳感器報告的實際鍵速度和實際鍵行程相比較來控制鍵運動。在日本專利申請公開第Hei 10-228276號公開的現(xiàn)有技術伺服控制技術中，將偏差值和增益從外部任意地賦給數(shù)據(jù)處理單元，并且期望偏差值和增益從現(xiàn)有技術自動演奏器鋼琴中消除產(chǎn)品的個體性。
盡管通過現(xiàn)有技術自動演奏器鋼琴較好地再現(xiàn)了簡單的樂曲節(jié)(passage)，但是聽眾覺得重放中的復雜的樂曲節(jié)有時候比較奇怪。因而，現(xiàn)有技術自動演奏器鋼琴中固有的問題是低保真度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的重要目的是提供一種提高其保真度的自動演奏器樂器。
本發(fā)明的另一重要目的是提供一種適合于自動演奏器樂器的自動演奏器。
本發(fā)明的另一重要目的是提供一種用于以高保真度自動產(chǎn)生一首樂曲的方法。
本發(fā)明人考慮了現(xiàn)有技術自動演奏器鋼琴中固有的問題，并且注意到現(xiàn)有技術自動演奏器鋼琴不能通過某些種類的手指彈奏，例如半行程(half stroke)產(chǎn)生鋼琴音調(diào)。在半行程中，黑鍵和白鍵在前往終點位置的途中被釋放，并在前往靜止位置的途中被再次按下。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，黑鍵和白鍵沒有跟隨活塞運動，并且以不同的響度產(chǎn)生了音調(diào)。當自動演奏器以小響度產(chǎn)生音調(diào)時，這一現(xiàn)象較為嚴重。詳細地說，當請求數(shù)據(jù)處理單元產(chǎn)生音調(diào)時，數(shù)據(jù)處理單元指定要用電磁控制的鍵致動器推動的黑鍵或白鍵、基準鍵速度的目標值和開始推動該黑鍵或白鍵的時刻。為了確定開始推動黑鍵或白鍵的時刻，數(shù)據(jù)處理單元考慮到鍵速度而從產(chǎn)生音調(diào)的時刻開始逆向計算。如果鍵速度較高，即目標響度較大，則開始推動鍵的時刻接近于產(chǎn)生音調(diào)的時刻。然而，如果鍵速度較低，則時間間隔將被設置得較長。盡管將以短間隔重復音調(diào)，但是對于小響度的重復(repetition)，自動演奏器需要開始推動鍵的時刻和產(chǎn)生音調(diào)的時刻之間的長時間間隔。這樣，期望自動演奏器使相沖突的條件互相妥協(xié)。當自動演奏器未能實現(xiàn)妥協(xié)時，活塞擊打黑/白鍵，或強有力地推動它。這產(chǎn)生了不同響度的音調(diào)，并且聽眾覺得演奏很奇怪。本發(fā)明人得出結(jié)論在半行程和普通的鍵運動之間，伺服控制的條件應當是不同的。
為了達到所述目的，本發(fā)明提出根據(jù)運動種類改變驅(qū)動信號的量值。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于產(chǎn)生音調(diào)的自動演奏器樂器，包括原聲樂器，其包括被有選擇地移動以指定音調(diào)的音高的多個操縱器和音調(diào)生成器，該音調(diào)生成器連接到所述多個操縱器，并響應所述多個操縱器的運動，以便以指定的音高產(chǎn)生音調(diào)；以及自動演奏器，包括用于產(chǎn)生代表表示所述運動的物理量的檢測信號的多個傳感器、被驅(qū)動信號有選擇地激勵以便引起所述多個操縱器的運動的多個致動器、和控制器，該控制器連接到所述多個傳感器和所述多個致動器，用于形成伺服控制環(huán)，并利用驅(qū)動信號強迫所述多個操縱器在基準軌跡上行進，所述驅(qū)動信號的量值包含代表所述伺服控制環(huán)的響應特性的環(huán)路增益(loop gain)分量、和代表要施加在所述多個操縱器上的恒定負載的基本分量，控制器將所述運動分類為第一種運動和第二種運動，其中，在所述第一種運動中，所述多個操縱器通過比臨界時間周期長的逆轉(zhuǎn)(reversal)來改變運動方向，在所述第二種運動中，所述多個操縱器通過等于或短于臨界時間周期的逆轉(zhuǎn)來改變運動方向，并且在第二種運動中，控制器增大逆轉(zhuǎn)附近的基本分量，以便保持所述運動穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于具有多個操縱器和音調(diào)生成器的樂器的自動演奏器，包括多個傳感器，用于產(chǎn)生代表表示所述多個操縱器的運動的物理量的檢測信號；多個致動器，被驅(qū)動信號有選擇地激勵，以便引起所述多個操縱器的運動；以及控制器，連接到所述多個傳感器和所述多個致動器，用于形成伺服控制環(huán)，并利用驅(qū)動信號強迫所述多個操縱器在基準軌跡上行進，所述驅(qū)動信號的量值包含代表伺服控制環(huán)的響應特性的環(huán)路增益分量、和代表要施加在所述多個操縱器上的恒定負載的基本分量，控制器將所述運動分類為第一種運動和第二種運動，其中，在所述第一種運動中，所述多個操縱器通過比臨界時間周期長的逆轉(zhuǎn)來改變運動方向，在所述第二種運動中，所述多個操縱器通過等于或短于臨界時間周期的逆轉(zhuǎn)來改變運動方向，并且在第二種運動中，控制器增大逆轉(zhuǎn)附近的基本分量，以便保持所述運動穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于通過伺服控制環(huán)來控制樂器的操縱器的方法，包括以下步驟a)將基準軌跡上的物理量的目標值與實際軌跡上的物理量的實際值相比較，使得通過該比較確定實際軌跡與基準軌跡的偏差，其中，所述基準軌跡代表要實現(xiàn)的操縱器的運動，而操縱器沿所述實際軌跡行進；b)當操縱器的運動被分類為操縱器通過比臨界時間周期長的逆轉(zhuǎn)改變運動方向的第一種運動時，將驅(qū)動信號調(diào)整為包含第一分量和具有比較小的值的第二分量的量值，其中，所述第一分量是在環(huán)路增益基礎上確定的，所述環(huán)路增益代表用于減小所述偏差的伺服控制環(huán)的響應特性；c)當操縱器的運動被分類為操縱器通過等于或短于臨界時間周期的逆轉(zhuǎn)改變運動方向的第二種運動時，將驅(qū)動信號調(diào)整為包含第一分量和具有比較大的值的第二分量的另一量值，而不執(zhí)行步驟c)；d)將驅(qū)動信號提供給與操縱器相關并形成伺服控制環(huán)一部分的致動器，使得在實際軌跡上進一步移動操縱器；以及e)重復步驟a)至d)，直到操縱器到達基準軌跡的終點為止。


根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述，將更清楚地理解自動演奏器樂器、自動演奏器和方法的特征和優(yōu)點，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的自動演奏器鋼琴的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，圖2是示出合并在自動演奏器鋼琴中的電氣系統(tǒng)的系統(tǒng)配置的方框圖，圖3是示出用于黑鍵和白鍵1a/1b的伺服控制環(huán)的功能的方框圖，圖4是示出對于重復將訪問的增益和加數(shù)表的視圖，圖5是示出對于標準手指彈奏將訪問的增益和加數(shù)表的視圖，圖6是示出用于確定半行程中的增益和加數(shù)的任務序列的流程圖，以及圖7是示出用于確定全行程(full-stroke)中的增益和加數(shù)的任務序列的流程圖。
具體實施例方式
實施本發(fā)明的自動演奏器樂器主要包括原聲樂器和自動演奏器。盡管任何種類的樂器都可以充當原聲樂器，但在下文中，在原聲鋼琴充當原聲樂器的假設下進行描述，以更好進行理解。
由于演奏者按下和釋放黑鍵和白鍵以指定要產(chǎn)生的音調(diào)的音高，因此黑鍵和白鍵充當“操縱器”。黑鍵和白鍵的運動通過動作單元引起弦槌的自由旋轉(zhuǎn)，并且弦槌在自由旋轉(zhuǎn)的終點撞擊弦，以產(chǎn)生音調(diào)。出于此原因，動作單元、弦槌和弦作為整體構(gòu)成“音調(diào)生成器”。
自動演奏器包括致動器、傳感器和控制器，并且致動器、傳感器和控制器形成伺服控制環(huán)。在此實例中，致動器引起鍵運動，并且傳感器分別監(jiān)控黑鍵和白鍵。然而，致動器可以直接驅(qū)動動作單元，并且傳感器可以監(jiān)控致動器的可移動部分。
控制器有選擇地激勵致動器，以便引起鍵運動。另一方面，傳感器產(chǎn)生代表一物理量的檢測信號，該物理量表示相關的黑鍵和白鍵的鍵運動。當自動演奏器重演由一組樂曲數(shù)據(jù)代碼表示的演奏時，控制器分析該樂曲數(shù)據(jù)代碼，以確定基準鍵軌跡。
基準鍵軌跡是隨時間變化的目標鍵位置。如果黑鍵和白鍵在基準鍵軌跡上行進，則使弦槌以目標最終弦槌速度與相關的弦碰撞，并以目標響度產(chǎn)生音調(diào)。出于此原因，控制器利用驅(qū)動信號使致動器強迫黑鍵和白鍵在基準鍵軌跡上行進。如果控制器發(fā)現(xiàn)黑/白鍵偏離了基準鍵軌跡，則控制器改變驅(qū)動信號的量值，以便使實際鍵軌跡與基準鍵軌跡一致。
如果在原演奏中演奏者將所有黑鍵和白鍵從靜止位置按壓到終點位置，則該鍵運動被分類為全行程，并且通過現(xiàn)有技術控制技術將較好地再現(xiàn)全行程鍵運動。然而，在原演奏中，演奏者通常將半行程與全行程相混合。半行程的典型示例是演奏者在從終點位置到靜止位置的途中按下黑/白鍵的鍵運動。向上運動和向下運動之間的轉(zhuǎn)折點被稱為“逆轉(zhuǎn)”。當用戶反復按下黑/白鍵即重復時，鍵運動被分類為半行程。重復不是半行程的唯一示例。如結(jié)合現(xiàn)有技術所述，在自動演奏時，半行程比較麻煩。
全行程和半行程之間的標準是逆轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)變時間(transit time)。在多種型號的鋼琴中，轉(zhuǎn)變的臨界時間周期不同。0轉(zhuǎn)變時間周期適合于某種型號的鋼琴，而100毫秒適于另一種型號的鋼琴。然而，100毫秒的臨界時間周期對于再一種型號來說太長，而對于另外一種型號來說太短。出于此原因，制造商通過實驗來確定適當?shù)呐R界時間周期。
驅(qū)動信號的量值分解為環(huán)路增益分量和基本分量。環(huán)路增益分量表示伺服控制環(huán)的響應特性。如果環(huán)路增益分量增大，則伺服控制環(huán)試圖迅速地將基準鍵軌跡和實際鍵軌跡之間的偏差減到最小，并且鍵運動變得不穩(wěn)定。另一方面，基本分量表示要施加在黑/白鍵上的恒定負載。如果基本分量增大，則黑鍵和白鍵試圖保持鍵運動的趨勢，并且鍵運動變得穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明的控制器把要實現(xiàn)的鍵運動分類為第一種鍵運動即全行程、或第二種鍵運動即半行程，并根據(jù)鍵運動的種類將環(huán)路增益分量和基本分量調(diào)整到最佳比率。假設鍵運動被分類為半行程?？刂破髟龃竽孓D(zhuǎn)附近的基本分量。于是，鍵運動變得穩(wěn)定，并且以目標響度產(chǎn)生音調(diào)。這是本發(fā)明的突出特征。當黑/白鍵顯示出比較低的速度的半行程時，對付現(xiàn)有技術中固有的問題，增大基本分量是有效的。高速和低速之間的標準取決于鋼琴的型號。某個型號的鋼琴具有200毫米每秒的高速和低速之間的邊界。然而，這一邊界對于另一型號來說太快，而對于再一型號來說太慢。制造商通過實驗來確定該邊界。
如果在增大基本分量的條件下減小逆轉(zhuǎn)附近的環(huán)路增益分量，則鍵運動變得更加穩(wěn)定，并且是令人滿意的。然而，當黑鍵和白鍵在與逆轉(zhuǎn)隔開的區(qū)域中行進時，對于該黑鍵和白鍵，需要強大的伺服控制。出于此原因，增大環(huán)路增益分量。在多種型號的鋼琴中，該區(qū)域和逆轉(zhuǎn)附近的另一區(qū)域之間的邊界是不同的。某種型號的鋼琴具有10毫米量級的全鍵行程，并且這兩個區(qū)域之間的邊界被發(fā)現(xiàn)位于靜止位置和終點位置之間的中點。然而，這兩個區(qū)域之間的邊界根據(jù)鋼琴型號而變化。制造商也通過實驗來確定該邊界。
如將從上面的描述理解的那樣，控制器有選擇地把要實現(xiàn)的鍵運動分類為兩種鍵運動，并根據(jù)鍵運動的種類優(yōu)化環(huán)路增益分量和基本分量之間的比率。結(jié)果，逆轉(zhuǎn)附近的鍵運動變得穩(wěn)定，并且原聲鋼琴以目標響度產(chǎn)生音調(diào)，而沒有令人討厭的雙擊和漏音。
在以下描述中，術語“前面”表示比用術語“后面”修飾的位置更靠近演奏者的位置，該演奏者正坐在凳子上用手指彈奏。在前面位置和對應的后面位置之間畫的線沿“縱向”延伸，并且橫向以直角與縱向相交。
第一實施例參照附圖的圖1，實施本發(fā)明的自動演奏器鋼琴主要包括原聲鋼琴100和電氣系統(tǒng)，該電氣系統(tǒng)充當自動演奏系統(tǒng)300和記錄系統(tǒng)500。自動演奏系統(tǒng)300和記錄系統(tǒng)500安裝在原聲鋼琴100中，并根據(jù)操作模式而被有選擇地激活。當演奏者在原聲鋼琴100上用手指彈奏一首樂曲而沒有任何記錄和重放指令時，原聲鋼琴100表現(xiàn)得與標準原聲鋼琴相似，并以通過手指彈奏指定的音高產(chǎn)生鋼琴音調(diào)。
當演奏者希望記錄他或她在原聲鋼琴100上的演奏時，演奏者向電氣系統(tǒng)發(fā)出記錄指令，并且記錄系統(tǒng)500準備好記錄該演奏。然后，記錄系統(tǒng)500被激活。當演奏者在原聲鋼琴100上用手指彈奏時，記錄系統(tǒng)500產(chǎn)生代表原聲鋼琴100上的演奏的樂曲數(shù)據(jù)代碼。這樣，演奏被存儲在一組樂曲數(shù)據(jù)代碼中。
假設用戶希望再現(xiàn)該演奏。用戶命令電氣系統(tǒng)再現(xiàn)原聲音調(diào)。然后，自動演奏系統(tǒng)300準備好重放。自動演奏系統(tǒng)300在原聲鋼琴100上彈奏這首樂曲，并在沒有人類演奏者的手指彈奏的情況下重演該演奏。
在下文中詳細描述原聲鋼琴100、自動演奏系統(tǒng)300和記錄系統(tǒng)500。
原聲鋼琴在此實例中，原聲鋼琴100是大鋼琴。原聲鋼琴100包括鍵盤1、動作單元2、弦槌3、弦4和制音器(damper)5。中盤(key bed)102形成鋼琴箱體(cabinet)的一部分，并且鍵盤1安裝在中盤102上。鍵盤1與動作單元2和制音器5鏈接，并且鋼琴家通過鍵盤1有選擇地驅(qū)動動作單元2和制音器5。通過鍵盤1而被有選擇地驅(qū)動的制音器5與相關的弦4隔開，使得弦4準備好振動。另一方面，通過鍵盤1而被有選擇地驅(qū)動的動作單元2引起相關弦槌3的自由旋轉(zhuǎn)，并且該弦槌3在自由旋轉(zhuǎn)的終點撞擊相關的弦4。然后，弦4振動，并且通過弦4的振動產(chǎn)生原聲音調(diào)。這樣，鍵盤1、動作單元2、制音器5、弦槌3和弦4表現(xiàn)得與標準原聲鋼琴的那些部件相似。
鍵盤1包括多個黑鍵1a、多個白鍵1b和鍵架中板(balance rail)104。在此實例中，88個鍵1a/1b被合并在鍵盤1中。黑鍵1a和白鍵1b以眾所周知的模式放置，并被平衡鍵銷(balance key pin)P可移動地支撐在鍵架中板104上。當沒有在黑/白鍵1a/1b上施加任何力時，弦槌3和動作單元2將自重施加到黑/白鍵1a/1b的后部，并且黑/白鍵1a/1b的前部與鍵架前板(front rail)106隔開，如實線畫出的那樣。實線所指示的鍵位置是“靜止位置”，并且鍵行程為0。
當鋼琴家按下黑/白鍵1a/1b時，前部逆著動作單元/弦槌2/3的自重而下降，并到達由點劃線指示的“終點位置”。終點位置沿著鍵軌跡與靜止位置隔開10毫米。換句話說，從靜止位置到終點位置的鍵行程是10毫米。
假設用戶按下黑鍵和白鍵1a/1b的前部。前部向鍵架前板106下降，而后部升高。鍵運動導致相關動作單元2的激活，并進一步使弦4準備好振動，如上文所述。激活的動作單元2通過脫離來驅(qū)使相關的弦槌3自由旋轉(zhuǎn)。弦槌3在自由旋轉(zhuǎn)的終點撞擊相關的弦4，以產(chǎn)生原聲音調(diào)。弦槌3在弦4上回彈，并再次落到相關的鍵運動單元2上。
當用戶釋放黑鍵和白鍵1a/1b時，動作單元/弦槌2/3的自重引起黑鍵和白鍵1a/1b沿相反方向旋轉(zhuǎn)，使得黑鍵和白鍵1a/1b返回靜止位置。制音器5與相關的弦4相接觸，使得原聲音調(diào)被衰減。鍵動作單元2再次返回靜止位置。這樣，人類鋼琴家可以引起繞鍵架中板104的角鍵運動，就像蹺蹺板一樣。
自動演奏系統(tǒng)在下文中，在參考圖1的同時參考圖2，對自動演奏系統(tǒng)300和記錄系統(tǒng)500進行描述。自動演奏系統(tǒng)300包括鍵致動器6的陣列、鍵傳感器7、存儲設備23、操縱板(未示出)和控制器302。另一方面，記錄系統(tǒng)500包括弦槌傳感器8、鍵傳感器7、存儲設備23、控制器302和操縱板(未示出)。因而，在自動演奏系統(tǒng)300和記錄系統(tǒng)500之間共享系統(tǒng)組件7、23、控制器302和操縱板(未示出)。
形成自動演奏系統(tǒng)300的一部分的控制器302的功能分解為預數(shù)據(jù)處理器10和運動控制器11。代表要重演的演奏的一組樂曲數(shù)據(jù)代碼被加載到預數(shù)據(jù)處理器10中。作為示例，這組樂曲數(shù)據(jù)被存儲在存儲設備23中。鍵傳感器7將代表實際鍵位置的鍵位置信號提供給運動控制器11。鍵位置信號充當反饋信號yxa。預數(shù)據(jù)處理器10按順序分析樂曲數(shù)據(jù)代碼，并確定要再現(xiàn)的鋼琴音調(diào)和再現(xiàn)鋼琴音調(diào)的定時。當開始推動黑/白鍵1a/1b的時刻到來時，預數(shù)據(jù)處理器10確定黑/白鍵1a/1b的基準軌跡，并將代表基準鍵軌跡的控制數(shù)據(jù)信號rf提供給運動控制器11?；鶞舒I軌跡是隨時間變化的一系列的鍵位置目標值。這樣，將代表隨時間變化的目標值的控制信號rf從預數(shù)據(jù)處理器10提供給運動控制器11。黑/白鍵1a/1b以基準鍵速度的目標值經(jīng)過基準鍵點，并使相關的弦槌3獲得最終弦槌速度，其中，在相關的黑/白鍵1a/1b在基準鍵軌跡上行進的條件下，最終弦槌速度與音調(diào)的響度成比例。
預數(shù)據(jù)處理器10還分析一系列的目標鍵位置的目標值，即基準鍵軌跡，以查看鍵運動是被分類為全行程或半行程。如果在靜止位置或在前往靜止位置途中的某個位置處立即按下黑/白鍵，則基準鍵軌跡從先前的基準鍵軌跡起繼續(xù)下去，而不在靜止位置或所述某個位置處中斷，即，基準鍵軌跡與先前的基準鍵軌跡相交，并且預數(shù)據(jù)處理器10判定將鍵運動分類為半行程。另一方面，當基準鍵軌跡具有與先前基準鍵軌跡的向上路線的終點隔開的向下路線的起點時，預數(shù)據(jù)處理器10判定將鍵運動分類為全行程。這樣，預數(shù)據(jù)處理器10在要移動的每個黑/白鍵1a/1b的基準鍵軌跡的基礎上，判斷手指彈奏的種類。在日本專利申請公開第Hei 9-81125號中公開了用于判斷鍵運動的方法。在此實例中，在自動演奏器302中采用了所述日本專利申請公開中公開的方法，使得預數(shù)據(jù)處理器10在一系列目標鍵位置值中搜索鍵運動的逆轉(zhuǎn)，而不在靜止位置處中斷。
在所述日本專利申請公開中公開的方法包括以下步驟。朝向終點位置的基準軌跡被稱為“基準前向軌跡”，而相反方向的基準軌跡被稱為“基準后向軌跡”。首先，控制器獲取基準前向軌跡、基準點、靜止位置上的初始速度以及鍵經(jīng)過基準點的時刻，并估計鍵開始在基準前向軌跡上運動的開始時刻，并在開始時刻和鍵速度的基礎上進一步估計到達終點位置的到達時刻t3。隨后，控制器獲取基準后向軌跡上的基準點、鍵經(jīng)過該基準點的時刻以及基準后向軌跡上的初始鍵速度，并估計鍵開始在基準后向軌跡上開始運動的開始時刻t0N。如果開始時刻t0N比到達時刻t3早，則控制器判定鍵運動是半行程。
半行程和全行程之間的標準是當前鍵運動和先前鍵運動之間的間隔。如果該間隔等于或小于臨界時間周期，則鍵運動被分類為半行程。另一方面，如果黑/白鍵1a/1b停止了比臨界時間周期長的時間周期，則鍵運動被分類為全行程。臨界時間周期根據(jù)鋼琴型號而變。出于此原因，制造商通過實驗確定臨界時間周期。在此實例中，臨界時間周期為0的數(shù)量級。
當預數(shù)據(jù)處理器10判定將鍵運動分類為半行程時，預數(shù)據(jù)處理器10確認該重復，并增大代表該判定的標志rr，即，將標志rr設置為“1”。另一方面，當預數(shù)據(jù)處理器10判定將鍵運動分類為全行程時，預數(shù)據(jù)處理器10確認該標準手指彈奏，并減小標志rr，即，將標志rr設置為“0”。“標準手指彈奏”是指鋼琴家在停止在靜止位置之后按下黑/白鍵。
運動控制器11將驅(qū)動信號ui提供給電磁控制的鍵致動器6，并通過基準鍵軌跡上的目標鍵位置和從鍵傳感器7報告的實際鍵位置之間、以及目標鍵速度和實際鍵速度之間的比較，周期性地將驅(qū)動信號ui調(diào)整到適當?shù)钠骄娏髦?，以便強迫?白鍵1a/1b在基準軌跡上行進。在下文中，用“rx”和“rv”來標記目標鍵位置和目標鍵速度，并用“yx”和“yv”來標記實際鍵位置和實際鍵速度。在此實例中，由于終點位置與靜止位置隔開10毫米，因此鍵行程或目標鍵位置rv/實際鍵位置yx落在從0到10毫米的范圍內(nèi)。另一方面，目標鍵速度rv和實際鍵速度yv落在從0到500毫米每秒的范圍內(nèi)。
另一方面，形成記錄系統(tǒng)500的一部分的控制器302的功能分解為記錄控制器12和后數(shù)據(jù)處理器13。弦槌傳感器8將代表實際弦槌位置的弦槌位置信號提供給記錄控制器12，并且記錄控制器12確定最終弦槌速度和弦槌3撞擊弦4的時刻。記錄控制器12還確定分配給被按下/釋放的鍵1a/1b的鍵編號、實際鍵速度和鋼琴家開始按下黑/白鍵1a/1b的時刻。記錄控制器12分析代表鍵運動和弦槌運動的這些樂曲數(shù)據(jù)，并將事件數(shù)據(jù)提供給后數(shù)據(jù)處理器13。事件數(shù)據(jù)表示在MIDI協(xié)議中定義的音符開(note-on)事件或音符關(note-off)事件。
后數(shù)據(jù)處理器13將事件數(shù)據(jù)正規(guī)化，使得從事件數(shù)據(jù)中消除自動演奏器鋼琴的個體性。正規(guī)化的事件數(shù)據(jù)被后數(shù)據(jù)處理器113以MIDI協(xié)議中定義的適當格式編碼。
鍵致動器6被驅(qū)動信號ui單獨激勵，以推動相關的黑鍵和白鍵1a/1b。這意味著鍵致動器6的數(shù)目等于黑鍵和白鍵1a/1b的數(shù)目。在此實例中，利用電磁控制的致動器單元來實現(xiàn)鍵致動器6。
每個電磁控制的鍵致動器單元6包括活塞9a和螺線管與軛(yoke)的組合結(jié)構(gòu)9b。螺線管裝在軛中，并且活塞9a可以從螺線管伸出或者收縮進螺線管中。在下文中，將螺線管與軛的組合結(jié)構(gòu)9b簡稱為“螺線管9b”或“多個螺線管9b”。電磁控制的鍵致動器單元6的陣列懸掛在中盤102上。當在沒有任何處于有效電平的驅(qū)動信號ui的情況下、電磁控制的鍵致動器單元6保持空閑時，活塞9a收縮到相關的螺線管9b中，并且活塞9a的頂端略微與處于靜止位置的相關黑鍵和白鍵1a/1b的下表面隔開。
當控制器302利用驅(qū)動信號ui激勵某個螺線管9b時，在活塞9a周圍產(chǎn)生磁場，并且磁力被施加到磁場中的活塞9a上。然后，活塞9a從相關的螺線管9b向上伸出，并推動黑鍵和白鍵1a/1b后部的下表面，以便引起相關的黑/白鍵1a/1b的角運動。黑/白鍵1a/1b驅(qū)動相關的動作單元2，以及形成動作單元2一部分的頂桿脫離弦槌3。通過該脫離，弦槌3開始自由旋轉(zhuǎn)，并且弦槌3在自由旋轉(zhuǎn)的終點撞擊弦4。盡管電磁控制的鍵致動器6、黑/白鍵1a/1b、動作單元2和弦槌3在機械上彼此獨立，但是電磁控制的鍵致動器6順次引起鍵運動、頂桿的脫離和弦槌3的自由旋轉(zhuǎn)，并導致弦槌3撞擊弦4，以便產(chǎn)生鋼琴音調(diào)。
分別利用鍵傳感器7來監(jiān)控黑/白鍵1a/1b。鍵傳感器7被提供在黑/白鍵1a/1b前部的下方，并具有各自的與全部鍵行程重合的可檢測范圍。鍵傳感器產(chǎn)生跨過相關的黑/白鍵1a/1b的軌跡的光束，并且光量根據(jù)相關黑/白鍵1a/1b的實際鍵位置而變化。這樣，鍵傳感器7被分類為光位置變換器，并且作為示例，在日本專利公開第2923541號中公開了鍵傳感器7的結(jié)構(gòu)。
光量代表代表實際鍵位置，并被轉(zhuǎn)換為光電流。光電流形成代表實際鍵位置的鍵位置信號yxa，并且鍵位置信號yxa被提供給控制器302。鍵位置信號yxa的量值根據(jù)實際鍵位置而變化，并且改變率表示鍵速度。將鍵位置信號從鍵傳感器7提供給記錄控制器12和運動控制器11二者，以便在如上文所述的記錄和對黑/白鍵1a/1b的伺服控制中使用。
弦槌傳感器8也利用光位置變換器來實現(xiàn)。在日本專利申請公開第2001-175262號中公開的光位置變換器可用于弦槌傳感器8。弦槌傳感器8被合并在記錄系統(tǒng)500中，并且弦槌位置信號被提供給記錄控制器12。
如將在圖2中看到的那樣，控制器302包括被簡寫為“CPU”的中央處理單元20、被簡寫為“ROM”的只讀存儲器21、被簡寫為“RAM”的隨機存取存儲器22、總線系統(tǒng)20B、被簡寫為“I/O”的接口24和脈沖寬度調(diào)制器25。這些系統(tǒng)組件20、21、22、24和25連接到總線系統(tǒng)20B，并且存儲設備23也連接到總線系統(tǒng)20B。將地址代碼、控制數(shù)據(jù)代碼和樂曲數(shù)據(jù)代碼有選擇地從特定系統(tǒng)組件通過總線系統(tǒng)20B傳送給其它系統(tǒng)組件。盡管未在圖2中示出，但是時鐘生成器和分頻器被合并在控制器302中，并且系統(tǒng)時鐘信號和節(jié)拍(tempo)時鐘信號使系統(tǒng)組件彼此同步，并產(chǎn)生各種計時器中斷。
中央處理單元20是數(shù)據(jù)處理能力的起源。主例程(main routine program)、子例程(subroutine program)和數(shù)據(jù)/參數(shù)表被存儲在只讀存儲器21中，并且計算機程序在中央處理單元20上運行，以便作為預數(shù)據(jù)處理器10、運動控制器11、記錄控制器12和后數(shù)據(jù)處理器13來完成任務。一種數(shù)據(jù)表用來如將在下文中詳細描述的那樣確定反饋增益kx和kv，并且在下文中將其稱為“增益表”。另一種數(shù)據(jù)表用于確定加數(shù)u，并且在下文中將其稱為“加數(shù)表”。隨機存取存儲器22提供臨時數(shù)據(jù)存儲，并充當工作存儲器。
存儲設備23向自動演奏和記錄系統(tǒng)300/500提供大容量存儲器。在記錄和重放時，樂曲數(shù)據(jù)代碼被存儲在存儲設備23中。在此實例中，利用硬盤驅(qū)動器來實現(xiàn)存儲設備23。柔性盤(flexible disk)驅(qū)動器或軟盤(商標)驅(qū)動器、諸如例如CD-ROM驅(qū)動器的光盤驅(qū)動器、磁光盤驅(qū)動器、ZIP盤驅(qū)動器、DVD(數(shù)字多用途盤)驅(qū)動器和半導體存儲板均可用于系統(tǒng)300/500。
弦槌傳感器8、鍵傳感器7和操縱板(未示出)連接到接口24，并且脈沖寬度調(diào)制器25將驅(qū)動信號ui傳遞給電磁控制的鍵致動器6。將鍵位置信號yxa和弦槌位置信號連續(xù)地從鍵傳感器7和弦槌傳感器8提供給接口24。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/D(參見圖3)被合并在接口24中，以便將弦槌位置信號和鍵位置信號yxa轉(zhuǎn)換為數(shù)字弦槌位置信號和數(shù)字鍵位置信號yxd。系統(tǒng)時鐘信號周期性地引起對中央處理單元20的計時器中斷，使得中央處理單元20周期性地從接口24取出代表實際鍵位置的位置數(shù)據(jù)和代表實際弦槌位置的位置數(shù)據(jù)?？刂破?02還可包括一通信接口，樂曲數(shù)據(jù)代碼被從遠程數(shù)據(jù)源通過公共通信網(wǎng)絡提供給該通信接口。
驅(qū)動信號ui在脈沖寬度調(diào)制器25中產(chǎn)生，并被提供給電磁控制的鍵致動器6。脈沖寬度調(diào)制器25響應從中央處理單元20提供的控制信號，以便改變驅(qū)動信號ui的平均電流或占空比。由于磁力與驅(qū)動信號ui的平均電流成比例，因此有可能利用驅(qū)動信號ui來控制活塞速度。在此實例中，中央處理單元20、脈沖寬度調(diào)制器25、鍵致動器6、鍵傳感器7和接口24形成伺服控制環(huán)304，并且黑鍵和白鍵1a/1b被插入伺服控制環(huán)304中。
伺服控制圖3示出了用于對黑/白鍵1a/1b進行伺服控制的運動控制器11的功能。在此實例中，利用軟件來實現(xiàn)運動控制器11。
在圖3中，圓圈31和32代表減法器，并且圓圈36和37代表加法器。減法器31確定目標鍵位置rx和實際鍵位置yx之間的位置偏差，而另一減法器32確定目標鍵速度rv和實際鍵速度yv之間的速度偏差。
方框24代表合并在接口24中的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/D，并且方框30代表在每個時間周期目標鍵位置rx和目標鍵速度rv的確定。在每個采樣時間周期內(nèi)，中央處理單元20從模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器24中取出數(shù)字鍵位置信號yxd，并以1毫秒的間隔重復進行該數(shù)據(jù)取出。采樣時間周期等于“每個時間周期”，并且因此，“每個時間周期”等于1毫秒。從預數(shù)據(jù)處理器10提供目標鍵位置rx，并通過對一系列目標鍵位置rx值的微分來確定目標鍵速度rv。
方框33代表增益和加數(shù)計算器。計算器33分析目標鍵位置rx，并在目標鍵位置rx和目標鍵速度rv的基礎上，確定位置增益kx的值和速度增益kv的值。計算器33還響應代表鍵運動種類即全行程或半行程的標志rr，以便確定加數(shù)u。位置增益kx和速度增益kv對伺服控制環(huán)304的響應特性具有影響，并且利用加數(shù)u將該響應特性優(yōu)化為手指彈奏。在此實例中，中央處理單元20、計算機程序、增益表和加數(shù)表實現(xiàn)計算器33。
方框34和35代表放大器。放大器34將位置偏差ex乘以位置增益kx，而另一放大器將速度偏差ev乘以速度增益kv。乘積ux和uv分別代表平均電流的某個百分比和平均電流的另一某個百分比。這樣，方框34和35將以毫米為單位的行程和以毫米每秒為單位的速度轉(zhuǎn)換為歸于鍵位置的百分比和歸于鍵速度的另一百分比。在加法器36處，將乘積ux和uv彼此相加，并在加法器37處，進一步將加數(shù)u加到和數(shù)uxv，即(ux+uv)上。從加法器37將總和(ux+uv+u)作為控制數(shù)據(jù)提供給脈沖寬度調(diào)制器25，并且脈沖寬度調(diào)制器25將占空比調(diào)整為所述總和。這樣，運動控制器11不僅根據(jù)位置偏差ex和速度偏差ev、還根據(jù)標志rr來優(yōu)化伺服控制環(huán)304的響應特性。這導致自動演奏時的高保真度。
方框25和38分別代表脈沖寬度調(diào)制器25的功能和正規(guī)化。方框39代表速度計算器，該速度計算器在實際鍵軌跡上的預定數(shù)目的實際鍵位置值的基礎上確定實際鍵速度yv的值。
圖4和5示出了增益表和加數(shù)表。當預數(shù)據(jù)處理器10將鍵運動分類為半行程時，標志rr被設置為1，并且中央處理單元20訪問圖4示出的增益表和加數(shù)表。另一方面，當預數(shù)據(jù)處理器10將鍵運動分類為全行程時，標志rr被減小，即rr＝0，并且中央處理單元20從圖5示出的增益表和加數(shù)表中讀取位置增益kx、速度增益kv和加數(shù)u。在此實例中，如上文所述，增益表和加數(shù)表被存儲在只讀存儲器21中?？梢詫⒛切┍泶鎯υ诖鎯υO備23中，并在進入用于自動演奏的子例程時，將其從存儲設備23傳遞給隨機存取存儲器22。在交付給用戶之前，制造商通過實驗確定了位置增益kx、速度增益kv和加數(shù)u，并將位置增益kx、速度增益kv和加數(shù)u存儲在只讀存儲器21或存儲設備23中。
假設中央處理單元20發(fā)現(xiàn)目標鍵位置rv、目標鍵速度rv和標志rr等于或小于5毫米、等于或小于200毫米每秒以及等于1。鍵運動被分類為半行程。并且將以比較低的速度移動黑/白鍵1a/1b。然后，中央處理單元20以0至5毫米的目標鍵位置rv、等于或小于200毫米每秒的目標鍵速度rv以及值為1的標志訪問圖4示出的增益表和加數(shù)表，并從該增益表和加數(shù)表的最左列中讀出值為0.1的位置增益kx、值為0.2的速度增益kv以及值為15％的加數(shù)u。然而，如果目標鍵位置rx落在5毫米至10毫米之間的范圍內(nèi)，則中央處理單元20讀取如所述表的第二列所示的值為0.1的位置增益kx、值為0.4的速度增益kv以及值為(9+4×rv/100)％的加數(shù)u。
另一方面，如果要以比較高的速度，即大于200毫米每秒的速度移動黑/白鍵1a/1b，則中央處理單元20訪問圖4示出的增益和加數(shù)表中右邊的列。如果目標鍵位置rx落在從0至4毫米的范圍內(nèi)，則中央處理單元20從增益和加數(shù)表的第三列中讀出值為0.6的位置增益kx、值為0.3的速度增益kv以及值為(9+2×(rv-100)/100)％的加數(shù)。然而，如果中央處理單元20發(fā)現(xiàn)目標鍵位置rx在4毫米和10毫米之間，則中央處理單元20從增益和加數(shù)表的第四列中讀出值為0.15的位置增益kx、值為0.4的速度增益kv以及值為(9+2×(rv-100)/100)％的加數(shù)。
另一方面，當預數(shù)據(jù)處理器10將鍵運動分類為全行程時，中央處理單元20訪問圖5示出的增益和加數(shù)表。假設中央處理單元20發(fā)現(xiàn)將以等于或小于100毫米每秒的比較低的速度移動黑/白鍵1a/1b。中央處理單元20根據(jù)鍵行程，有選擇地從增益和加數(shù)表的第一和第二列中讀出位置增益kx、速度增益kv和加數(shù)u。如果目標鍵位置rx落在從0至4毫米的范圍內(nèi)，則中央處理單元20從增益和加數(shù)表的第一列中讀出值為0.6的位置增益kx、值為0.3的速度增益kv以及值為9％的加數(shù)u。另一方面，如果目標鍵位置rx落在4毫米和10毫米之間的范圍內(nèi)，則中央處理單元20從增益和加數(shù)表的第二列中讀出值為0.2的位置增益、值為0.3的速度增益kv以及值為9％的加數(shù)。
假設中央處理單元20發(fā)現(xiàn)將以大于100毫米每秒的比較高的速度移動黑/白鍵1a/1b。中央處理單元20根據(jù)鍵行程，有選擇地從增益和加數(shù)表的第三和第四列中讀出位置增益kx、速度增益kv和加數(shù)u。如果目標鍵位置rx落在從0至4毫米的范圍內(nèi)，則中央處理單元20從增益和加數(shù)表的第三列中讀出值為0.6的位置增益kx、值為0.3的速度增益kv以及值為(9+2×(rv-100)/100)％的加數(shù)u。另一方面，如果目標鍵位置rx落在4毫米和10毫米之間的范圍內(nèi)，則中央處理單元20從增益和加數(shù)表的第四列中讀出值為0.2的位置增益、值為0.3的速度增益kv以及值為(9+2×(rv-100)/100)％的加數(shù)。
圖4和5示出的增益和加數(shù)表是在以下事實的基礎上準備的。當在半行程中電磁控制的鍵致動器重復音調(diào)時，鍵運動趨向于不穩(wěn)定，并且伺服控制容易被破壞。具體地說，期望電磁控制的鍵致動器將黑/白鍵1a/1b引導到基準鍵軌跡的淺區(qū)域，即等于或小于5毫米的鍵行程中的終點位置。如果在比較低的速度下響應特性太強，即rv等于或小于200毫米每秒，則鍵運動變得非常不穩(wěn)定。出于此原因，速度增益kv和位置增益rx的值應當較小。然而，伺服控制環(huán)304必須使黑/白鍵1a/1b通過逆轉(zhuǎn)無誤地向終點位置前進。大加數(shù)u使活塞9a強有力地推動黑/白鍵1a/1b的后部，使得黑/白鍵1a/1b無誤地改變鍵運動的方向。結(jié)果，由于活塞9a對黑/白鍵1a/1b的撞擊，電磁控制的鍵致動器6準確地再現(xiàn)重復，而沒有響度的差別和噪聲。
另一方面，當黑/白鍵1a/1b以比較低的速度在深區(qū)域中行進時，大速度增益kv被賦給伺服控制環(huán)304，并且加數(shù)u隨著目標速度rv一起改變，即(9+4×rv/100)。結(jié)果，響應特性變得對速度差ev敏感，并且黑/白鍵1a/1b被強迫在基準鍵速度上行進。
如將從前面的描述理解的那樣，當黑/白鍵1a/1b以等于或小于200毫米每秒的比較低的速度在表示重復的基準鍵軌跡上的淺區(qū)域即0到5毫米之間的區(qū)域內(nèi)行進時，根據(jù)本發(fā)明的伺服控制環(huán)304利用大加數(shù)u強迫黑/白鍵1a/1b無誤地轉(zhuǎn)向。另一方面，當黑/白鍵1a/1b進入深區(qū)域即5毫米到10毫米之間的區(qū)域時，伺服控制環(huán)利用大速度增益kv來增強響應特性。這導致以高保真度再現(xiàn)鍵運動。這樣，在以比較低的鍵速度再現(xiàn)重復時，根據(jù)本發(fā)明的伺服控制環(huán)304根據(jù)黑/白鍵1a/1b的深度顯示出變化的響應特性。
在下文中，對一黑/白鍵1a/1b的伺服控制進行描述。運動控制器11以分時的方式向所有黑鍵和白鍵1a/1b施加以下伺服控制，使得對其它黑/白鍵1a/1b的伺服控制與對該黑/白鍵1a/1b的伺服控制相似。
當用戶激勵自動演奏器300時，鍵傳感器7開始監(jiān)控相關的黑鍵和白鍵1a/1b。監(jiān)控某個黑/白鍵1a/1b的鍵傳感器7將表示實際鍵位置yk的模擬鍵位置信號yxa提供給接口24，并且模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/D將模擬鍵位置信號yxa的電勢電平轉(zhuǎn)換為一系列離散值。這些離散值被編碼，并且中央處理單元20周期性地從接口24取出數(shù)字鍵位置信號yxd或離散值。
數(shù)字鍵位置信號yxd經(jīng)過方框38，并受到正規(guī)化。由數(shù)字鍵位置信號yxd代表的位置數(shù)據(jù)是以毫米表示的，并且從位置數(shù)據(jù)中消除了鍵傳感器7的個體性。這樣，正規(guī)化的鍵位置信號yx從方框38輸出，并被提供給減法器31。正規(guī)化的鍵位置信號yx代表實際鍵位置，并且也用“yx”來標記。
正規(guī)化的鍵位置信號yx還被提供給方框39，并且，在實際鍵位置yx的基礎上計算實際鍵速度yv。對實際鍵位置yx進行微分。可以按照下面所述來確定實際鍵軌跡上的某個點的鍵速度。首先，從隨機存取存儲器中讀出所述某個值之前的3個實際鍵位置值以及所述某個值之后的3個實際鍵位置值。隨后，將這7個實際鍵位置值逼近為二次曲線，并確定所述某個值處的切線。將也用“yv”標記的代表實際鍵速度的數(shù)字鍵速度信號yv從方框39提供給減法器32。
另一方面，預數(shù)據(jù)處理器10確定黑/白鍵1a/1b的基準鍵軌跡，并且將目標鍵位置間歇地從預數(shù)據(jù)處理器10提供給方框30。在目標鍵位置rx的基礎上計算目標鍵速度rv，并且將目標鍵位置rx和目標鍵速度rv從方框30分別提供給減法器31和32。由于以等于對數(shù)字鍵位置信號yxd的采樣間隔的間隔重新計算目標鍵位置rx和目標鍵速度rv，因此目標鍵位置rx和目標鍵速度rv與實際鍵位置yx和實際鍵速度yv同步更新。
當預數(shù)據(jù)處理器10確定基準鍵軌跡時，預數(shù)據(jù)處理器10將該基準鍵軌跡與先前的基準鍵軌跡相比較，以查看鍵運動是被分類為全行程還是半行程。如果基準鍵軌跡與先前的基準鍵軌跡相交，則預數(shù)據(jù)處理器10把要再現(xiàn)的鍵運動分類為半行程，并增大標志rr為“1”。另一方面，當初始基準鍵軌跡與先前的基準鍵軌跡隔開時，預數(shù)據(jù)處理器10把要再現(xiàn)的鍵運動分類為全行程，并保持或減小標志rr。標志rr的狀態(tài)被提供給方框33。
由于還將目標鍵位置rx和目標鍵速度rv從方框30提供給方框33，因此從增益和加數(shù)表中讀出位置增益kv、速度增益kv和加數(shù)u，并將其從方框33提供給方框34和35以及加法器37。
位置偏差ex和速度偏差ev在減法器31和32處確定，并被分別提供給方框34和35。分別將偏差ex和ev乘以位置增益kx和速度增益kv，并將乘積ux和uv從方框34和35提供給加法器36。如上文所述，乘積ux和uv表示占空比的百分比，使得和數(shù)uxv也表示占空比的百分比。加數(shù)u也表示占空比的百分比，并被加到所述乘積的和uxv上。這樣，將代表目標占空比的控制數(shù)據(jù)從加法器37提供給脈沖寬度調(diào)制器25。
脈沖寬度調(diào)制器25將驅(qū)動信號ui調(diào)整到目標占空比，并且，將驅(qū)動信號ui從脈沖寬度調(diào)制器25提供給與黑/白鍵1a/1b相關的電磁控制的鍵致動器6。電磁控制的鍵致動器6將力施加到黑/白鍵1a/1b的后部，并且黑/白鍵1a/1b被進一步移動。鍵傳感器7改變鍵位置信號yxa，并且，向運動控制器11通知實際鍵位置yk的新值。
這樣，伺服控制環(huán)304重復上述控制序列，直到黑/白鍵1a/1b到達基準鍵軌跡的終點為止，并且通過伺服控制環(huán)304再現(xiàn)黑/白鍵1a/1b的鍵運動。
圖6和7示出了用于方框33處的計算的計算機程序。中央處理單元20周期性地進入用于方框33處的計算的子例程。假設用戶命令自動演奏器300重演由一組樂曲數(shù)據(jù)代碼表示的演奏。中央處理單元20首先將鍵編號寄存器重置為0，如步驟S1。分別將鍵編號Kn分配給黑鍵和白鍵1a/1b，并且存儲在鍵編號寄存器中的鍵編號Kn表示處于伺服控制下的黑/白鍵1a/1b。
中央處理單元20將鍵編號Kn增大1，如步驟S2。當中央處理單元20完成緊接在步驟S1之后的步驟S2處的任務時，鍵編號Kn是“1”，并表示鍵盤1上的最左邊的白鍵1b。這樣，88個黑鍵和白鍵1a/1b連續(xù)進入伺服控制之下。
當完成步驟S2處的任務時，中央處理單元20檢查目標鍵速度rv，以查看黑/白鍵1a/1b是否在基準鍵軌跡上行進，如步驟S3。當目標鍵速度rv等于0時，步驟S3處的答案給出為否定“否”，并且中央處理單元20前進到步驟S14。在步驟S14，中央處理單元20檢查鍵編號寄存器，以查看是否已經(jīng)控制了最右邊的白鍵。如果答案給出為否定“否”，則中央處理單元20返回步驟S2，并再次增大鍵編號Kn。另一方面，如果步驟S14處的答案給出為肯定“是”，則中央處理單元20返回用于自動演奏的子例程。
另一方面，如果黑/白鍵1a/1b在基準鍵軌跡上行進、或準備好行進，則目標鍵速度rv大于0，并且步驟S3處的答案給出為肯定“是”。對于肯定答案“是”，中央處理單元20檢查標志rr，以查看鍵運動是否被分類為半行程，如步驟S4。如果預數(shù)據(jù)處理器10已經(jīng)將鍵運動分類為標準手指彈奏，則狀態(tài)數(shù)據(jù)“0”被提供給運動控制器10，并且步驟S4處的答案給出為否定“否”。對于否定答案，中央處理單元20前進到步驟S5，并完成標準手指彈奏的任務。在下文中，將參考圖7描述標準手指彈奏的任務。
假設預數(shù)據(jù)處理器10已經(jīng)將鍵運動分類為半行程。狀態(tài)數(shù)據(jù)“1”被提供給運動控制器11，并且步驟S4處的答案給出為肯定“是”。對于該肯定答案，中央處理單元20檢查目標速度rv，以查看將以高速還是低速移動黑/白鍵1a/1b，如步驟S6。
當目標鍵速度rv大于200毫米每秒時，步驟S6處的答案給出為肯定“是”，并且中央處理單元20檢查目標鍵位置rx，以查看黑/白鍵1a/1b是否進入深區(qū)域，如步驟S7。如果目標鍵位置rx小于4毫米，則黑/白鍵1a/1b仍然在淺區(qū)域內(nèi)行進，并且步驟S7處的答案給出為否定“否”。對于否定答案“否”，中央處理單元20從增益和加數(shù)表中讀出值為0.6的位置增益kx、值為0.3的速度增益kv和給出為(9+2×(rv-100)/100％)的加數(shù)u，如步驟S8。另一方面，當黑/白鍵1a/1b在深區(qū)域內(nèi)行進時，步驟S7處的答案給出為肯定“是”，并且中央處理單元20從增益和加數(shù)表中讀出值為0.15的位置增益kx、值為0.4的速度增益kv和給出為(9+2×(rv-100)/100％)的加數(shù)u，如步驟S9。
另一方面，如果目標鍵速度rv等于或小于200毫米每秒，則步驟S6處的答案給出為否定“否”，并且中央處理單元20檢查目標位置rx，以查看黑/白鍵1a/1b是否進入深區(qū)域，如步驟S10。如果目標鍵位置rx小于5毫米，則黑/白鍵1a/1b仍然在淺區(qū)域內(nèi)行進，并且步驟S10處的答案給出為否定“否”。對于否定答案“否”，中央處理單元20從增益和加數(shù)表中讀出值為0.1的位置增益kx、值為0.2的速度增益kv和值為15％的加數(shù)u，如步驟S12。另一方面，當黑/白鍵1a/1b在深區(qū)域內(nèi)行進時，步驟S10處的答案給出為肯定“是”，并且中央處理單元20從增益和加數(shù)表中讀出值為0.1的位置增益kx、值為0.4的速度增益kv和給出為(9+4×rv)/100％)的加數(shù)u，如步驟S11。
這樣，中央處理單元20根據(jù)目標鍵速度rv和目標鍵位置rx的組合，在步驟S8至S 12之一確定位置增益kx、速度增益kv和加數(shù)u。當完成步驟S8、S9、S11或S12處的任務時，中央處理單元20前進到步驟S13，并將驅(qū)動信號ui調(diào)整到所述占空比(uxv+u)。
隨后，中央處理單元20前進到步驟S14，并檢查鍵編號寄存器，以查看是否已經(jīng)完成了對最右邊的白鍵1b的伺服控制。中央處理單元20根據(jù)步驟S14處的答案，返回步驟S2或用于自動演奏的子例程。
假設預數(shù)據(jù)處理器10已經(jīng)將鍵運動分類為全行程。標志rr已經(jīng)被減小為0，并且步驟S4處的答案給出為否定。然后，中央處理單元20進入圖7示出的用于標準手指彈奏的子例程。
中央處理單元20檢查目標速度rv，以查看將以高速還是低速移動黑/白鍵1a/1b，如步驟S15。
當目標鍵速度rv大于100毫米每秒時，步驟S15處的答案給出為肯定“是”，并且中央處理單元20檢查目標鍵位置rx，以查看黑/白鍵1a/1b是否進入深區(qū)域，如步驟S16。如果目標鍵位置rx小于4毫米，則黑/白鍵1a/1b仍然在淺區(qū)域內(nèi)行進，并且步驟S16處的答案給出為否定“否”。對于否定答案“否”，中央處理單元20從增益和加數(shù)表中讀出值為0.6的位置增益kx、值為0.3的速度增益kv和給出為(9+2×(rv-100)/100％)的加數(shù)u，如步驟S17。
另一方面，當黑/白鍵1a/1b在深區(qū)域內(nèi)行進時，步驟S16處的答案給出為肯定“是”，并且中央處理單元20從增益和加數(shù)表中讀出值為0.2的位置增益kx、值為0.3的速度增益kv和給出為(9+2×(rv-100)/100％)的加數(shù)u，如步驟S18。
另一方面，如果目標鍵速度rv等于或小于100毫米每秒，則步驟S15處的答案給出為否定“否”，并且中央處理單元20檢查目標位置rx，以查看黑/白鍵1a/1b是否進入深區(qū)域，如步驟S19。如果目標鍵位置rx小于4毫米，則黑/白鍵1a/1b仍然在淺區(qū)域內(nèi)行進，并且步驟S19處的答案給出為否定“否”。對于否定答案“否”，中央處理單元20從增益和加數(shù)表中讀出值為0.2的位置增益kx、值為0.3的速度增益kv和值為9％的加數(shù)u，如步驟S21。另一方面，當黑/白鍵1a/1b在深區(qū)域內(nèi)行進時，步驟S19處的答案給出為肯定“是”，并且中央處理單元20從增益和加數(shù)表中讀出值為0.2的位置增益kx、值為0.3的速度增益kv和給出為9％的加數(shù)u，如步驟S20。
當完成步驟S17、S18、S20或S21處的任務時，中央處理單元20將目標占空比(uxv+u)提供給脈沖寬度調(diào)制器25，并命令脈沖寬度調(diào)制器25保持或改變驅(qū)動信號的占空比，如步驟S22。當完成步驟S22處的任務時，中央處理單元20前進到步驟S14。
如將從前面的描述認識到的那樣，根據(jù)本發(fā)明的運動控制器11根據(jù)鍵運動的種類而不同地確定增益kv和kx以及加數(shù)u。因此，伺服控制環(huán)304防止黑鍵和白鍵1a/1b進行意外的動作，并且以高保真度再現(xiàn)鍵運動。這導致了接近于原演奏的重放。
盡管示出和描述了本發(fā)明的特定實施例，但是對本領域技術人員來說將清楚的是，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進行各種改變和修改。
光變換器不對本發(fā)明的技術范圍設置任何限制。例如，可以將另一種位置傳感器合并在自動演奏器中，該位置傳感器可由電位計來實現(xiàn)?？梢杂米鳛殒I傳感器7和/或弦槌傳感器8的永久磁鐵和霍爾元件的組合來代替光變換器?；蛘撸梢栽诟郊拥胶阪I和白鍵1a/1b以及弦槌3的半導體芯片上形成半導體加速度傳感器。該半導體加速度傳感器可以用由梁(beam)支撐的重塊(weight piece)來實現(xiàn)，其中電阻被形成為惠斯通電橋的一部分。這樣，鍵傳感器和弦槌傳感器可以直接將鍵速度/弦槌速度或加速度轉(zhuǎn)換為電信號。
在采用速度傳感器的情況中，通過對一系列實際鍵速度值的積分來確定實際鍵位置。類似地，在采用加速度傳感器的情況中，通過對一系列實際鍵加速度值的積分來確定實際鍵速度，并且通過對一系列實際鍵速度值的積分來確定實際鍵位置。
脈沖寬度調(diào)制器不對本發(fā)明的技術范圍設置任何限制?？梢酝ㄟ^變壓器直接控制驅(qū)動信號ui的電勢電平。
圖4和5示出的增益表和加數(shù)表不對本發(fā)明的技術范圍設置任何限制。圖4和5示出的增益和加數(shù)表適合于某種類型的自動演奏器鋼琴。這意味著另一類型的自動演奏器鋼琴需要用于不同種類的手指彈奏的另一增益表和另一加數(shù)表。當然，在鍵行程不同于10毫米的情況中，制造商進行對不同鍵盤的實驗。此外，可以用單獨的等式表示位置增益kx、速度增益kv和加數(shù)u，使得中央處理單元通過使用這些等式來計算它們。
可以將實際鍵位置yx和實際鍵速度yv提供給方框33。在此實例中，中央處理單元20不考慮目標速度rv和目標位置rx，并且根據(jù)實際鍵位置yx、實際鍵速度yv和標志信息rr的組合而讀出位置增益kx、速度增益kv和加數(shù)u。
用于對鍵運動進行分類的方法不對本發(fā)明的技術范圍設置任何限制。中央處理單元20將代表實際鍵軌跡的實際鍵位置值積存在工作存儲器22中，并分析鍵的實際鍵軌跡，以便對鍵運動進行分類。
半行程并不唯一地對應所述重復。鋼琴家可以在一段時間內(nèi)將被釋放的鍵保持在淺區(qū)域中向上路線上的某個點處。由于基準鍵軌跡不與先前的基準鍵軌跡相交，因此鍵運動被分類為標準手指彈奏。然而，鍵運動顯示出半行程的獨特性。出于此原因，將作為半行程再現(xiàn)鍵運動。這樣，只要通過逆轉(zhuǎn)而繼續(xù)鍵運動，鍵運動就被分類為半行程，而不考慮基準鍵軌跡之間的時間間隔。從這個觀點來看，如果被釋放的黑/白鍵1a/1b在從離開終點位置起測量的某個時間周期內(nèi)被按下，則鍵運動將被分類為半行程，并且標志rr將被增大。所述某個時間周期可以是100毫秒。中央處理單元20在從鍵傳感器7報告的實際鍵位置的基礎上確定到達終點位置，并啟動計時器。如果逆轉(zhuǎn)發(fā)生在所述某個時間周期內(nèi)，則中央處理單元20增大標志rr。所述某個時間周期也隨鋼琴型號一起變化。
可以將鍵加速度納入伺服控制中。在此實例中，將加速度增益存儲在增益表中，并將目標加速度和實際加速度之間的偏差乘以加速度增益。在將加速度與位置和速度一起考慮的情況中，在目標鍵速度rv和實際鍵速度yv的基礎上，通過微分來確定目標鍵加速度和實際鍵加速度，并且在第三減法器處計算它們之間的偏差。將加速度偏差乘以加速度增益，并乘將積加到其它乘積上。還將加數(shù)加到乘積的和上，并確定目標占空比。
可以利用邏輯電路來實現(xiàn)伺服控制環(huán)304?？梢詫⒑线m的數(shù)字信號處理器合并在自動演奏器中，以便進行信號處理。
大鋼琴100不對本發(fā)明的技術范圍設置任何限制?？梢杂弥绷⑹戒撉俅娲箐撉佟８鶕?jù)本發(fā)明的自動演奏器300可安裝在諸如例如大鍵琴、風琴或靜音鋼琴的另一種鍵盤樂器中。此外，可以將根據(jù)本發(fā)明的自動演奏器安裝在諸如例如鋼片琴的另一種樂器中。
上述實施例的組成部件與權(quán)利要求語言相關如下。黑鍵和白鍵1a/1b對應“多個操縱器”，并且動作單元2、弦槌3和弦4作為整體組成“音調(diào)生成器”。鍵傳感器7和電磁控制的鍵致動器6分別對應“多個傳感器”和“多個致動器”。鍵位置信號yxa/yxd/yx和驅(qū)動信號ui充當“檢測信號”和“驅(qū)動信號”，并且“物理量”代表鍵位置，即鍵行程，和鍵速度。加數(shù)u對應“基本分量”，而位置增益kx和速度增益kv的和充當“環(huán)路增益分量”。全行程和半行程分別對應“第一種運動”和“第二種運動”。
圓圈31/32處的減法相當于目標值和實際值之間的“比較”。平均電流或占空比相當于“量值”。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生音調(diào)的自動演奏器樂器，包括原聲樂器(100)，包含多個操縱器(1a、1b)，被有選擇地移動，以指定所述音調(diào)的音高，和音調(diào)生成器(2、3、4)，連接到所述多個操縱器(1a、1b)，并響應所述多個操縱器(1a、1b)的運動，以便以指定的音高產(chǎn)生所述音調(diào)；以及自動演奏器(300)，包含多個傳感器(7)，用于產(chǎn)生代表物理量的檢測信號(yxa)，所述物理量表示所述運動，多個致動器(6)，被驅(qū)動信號(ui)有選擇地激勵，以便引起所述多個操縱器(1a、1b)的所述運動，和控制器(302)，連接到所述多個傳感器(7)和所述多個致動器(6)，用于形成伺服控制環(huán)(304)，并利用所述驅(qū)動信號(ui)強迫所述多個操縱器(1a、1b)在基準軌跡(rf)上行進，所述驅(qū)動信號(ui)的量值包含代表所述伺服控制環(huán)(304)的響應特性的環(huán)路增益分量(uxv)、和代表要施加在所述多個操縱器(1a、1b)上的恒定負載的基本分量(u)，其特征在于所述控制器(302)將所述運動分類為第一種運動或第二種運動，其中，在所述第一種運動中，所述多個操縱器(1a、1b)通過比臨界時間周期長的逆轉(zhuǎn)來改變運動方向，在所述第二種運動中，所述多個操縱器(1a、1b)通過等于或短于所述臨界時間周期的所述逆轉(zhuǎn)來改變運動方向，并且在于在所述第二種運動中，所述控制器增大所述逆轉(zhuǎn)附近的所述基本分量(u)，以便保持所述運動穩(wěn)定。
2.如權(quán)利要求1所述的自動演奏器樂器，其中，在所述第二種運動中，所述控制器(302)減小所述逆轉(zhuǎn)附近的所述環(huán)路增益分量(uxv)。
3.如權(quán)利要求2所述的自動演奏器樂器，其中，所述控制器(302)檢查每個操縱器(1a、1b)的速度，以查看所述每個操縱器(1a、1b)是以高速還是低速行進，其中，當所述每個操縱器(1a、1b)以低速行進時，所述控制器(302)增大所述基本分量(u)，并減小所述環(huán)路增益分量(uxv)。
4.如權(quán)利要求3所述的自動演奏器樂器，其中，所述低速和所述高速之間的標準是200毫米每秒。
5.如權(quán)利要求2所述的自動演奏器樂器，其中，當所述多個操縱器(1a、1b)在與所述逆轉(zhuǎn)隔開的區(qū)域內(nèi)行進時，所述控制器(302)增大所述環(huán)路增益分量(uxv)，而不增大所述基本分量(u)。
6.如權(quán)利要求5所述的自動演奏器樂器，其中，所述區(qū)域和所述逆轉(zhuǎn)附近的另一區(qū)域之間的邊界被發(fā)現(xiàn)位于所述基準軌跡的中點。
7.如權(quán)利要求1所述的自動演奏器樂器，其中，全行程和半行程被分別分類為所述第一種運動和所述第二種運動。
8.如權(quán)利要求7所述的自動演奏器樂器，其中，在所述半行程中，所述逆轉(zhuǎn)發(fā)生在前往靜止位置途中的某個點處。
9.如權(quán)利要求1所述的自動演奏器樂器，其中，所述臨界時間周期為100毫秒的數(shù)量級。
10.如權(quán)利要求1所述的自動演奏器樂器，其中，所述原聲樂器是鋼琴(100)，使得黑鍵和白鍵(1a、1b)以及動作單元(2)、弦槌(3)和弦(4)的組合分別充當所述多個操縱器和所述音調(diào)生成器。
11.如權(quán)利要求10所述的自動演奏器樂器，其中，利用所述多個致動器(6)之一移動所述黑鍵和白鍵(1a、1b)的每一個，并利用所述多個傳感器(7)之一對其進行監(jiān)控。
12.一種用于具有多個操縱器(1a、1b)和音調(diào)生成器(2、3、4)的樂器的自動演奏器，包括多個傳感器(7)，用于產(chǎn)生代表物理量的檢測信號(yxa)，所述物理量表示所述多個操縱器(1a、1b)的運動，多個致動器(6)，被驅(qū)動信號(ui)有選擇地激勵，以便引起所述多個操縱器(1a、1b)的所述運動，以及控制器(302)，連接到所述多個傳感器(7)和所述多個致動器(6)，用于形成伺服控制環(huán)(304)，并利用所述驅(qū)動信號(ui)強迫所述多個操縱器(1a、1b)在基準軌跡(rf)上行進，所述驅(qū)動信號(ui)的量值包含代表所述伺服控制環(huán)的響應特性的環(huán)路增益分量(uxv)、和代表要施加在所述多個操縱器(1a、1b)上的恒定負載的基本分量(u)，其特征在于所述控制器(302)將所述運動分類為第一種運動或第二種運動，其中，在所述第一種運動中，所述多個操縱器(1a、1b)通過比臨界時間周期長的逆轉(zhuǎn)來改變運動方向，在所述第二種運動中，所述多個操縱器(1a、1b)通過等于或短于所述臨界時間周期的所述逆轉(zhuǎn)來改變運動方向，并且在于在所述第二種運動中，所述控制器增大所述逆轉(zhuǎn)附近的所述基本分量(u)，以便保持所述運動穩(wěn)定。
13.如權(quán)利要求12所述的自動演奏器，其中，在所述第二種運動中，所述控制器(302)減小所述逆轉(zhuǎn)附近的所述環(huán)路增益分量(uxv)。
14.如權(quán)利要求13所述的自動演奏器，其中，所述控制器(302)檢查每個操縱器(1a、1b)的速度，以查看所述每個操縱器(1a、1b)是以高速還是低速行進，其中，當所述每個操縱器(1a、1b)以低速行進時，所述控制器(302)增大所述基本分量(u)，并減小所述環(huán)路增益分量(uxv)。
15.如權(quán)利要求14所述的自動演奏器，其中，所述低速和所述高速之間的標準是200毫米每秒。
16.如權(quán)利要求13所述的自動演奏器，其中，當所述多個操縱器(1a、1b)在與所述逆轉(zhuǎn)隔開的區(qū)域內(nèi)行進時，所述控制器(302)增大所述環(huán)路增益分量(uxv)，而不增大所述基本分量(u)。
17.如權(quán)利要求16所述的自動演奏器，其中，所述區(qū)域和所述逆轉(zhuǎn)附近的另一區(qū)域之間的邊界被發(fā)現(xiàn)位于所述基準軌跡(rf)的中點。
18.如權(quán)利要求12所述的自動演奏器，其中，全行程和半行程被分別分類為所述第一種運動和所述第二種運動。
19.一種用于通過伺服控制環(huán)(304)控制樂器的操縱器(1a、1b)的方法，包括以下步驟a)將基準軌跡(rf)上的物理量的目標值(rx、rv)與實際軌跡上的所述物理量的實際值(yx、yv)相比較，使得通過該比較來確定所述實際軌跡與所述基準軌跡的偏差，其中，所述基準軌跡(rf)代表要實現(xiàn)的操縱器(1a、1b)的運動，而所述操縱器(1a、1b)沿所述實際軌跡行進，b)當所述操縱器(1a、1b)的所述運動被分類為所述操縱器(1a、1b)通過比臨界時間周期長的逆轉(zhuǎn)改變所述運動的方向的第一種運動時，將驅(qū)動信號(ui)調(diào)整到包含第一分量(uxv)和具有比較小的值的第二分量(u)的量值，其中，所述第一分量(uxv)是在所述環(huán)路增益(kx、kv)基礎上確定的，所述環(huán)路增益(kx、kv)代表用于減小所述偏差的所述伺服控制環(huán)(304)的響應特性，c)當所述操縱器(1a、1b)的所述運動被分類為所述操縱器(1a、1b)通過等于或短于所述臨界時間周期的所述逆轉(zhuǎn)改變運動方向的第二種運動時，將驅(qū)動信號(ui)調(diào)整為包含所述第一分量(uxv)和具有比較大的值的所述第二分量(u)的另一量值，而不執(zhí)行所述步驟c)，d)將所述驅(qū)動信號(ui)提供給與所述操縱器(1a、1b)相關、并形成所述伺服控制環(huán)(304)一部分的致動器(6)，使得在所述實際軌跡上進一步移動所述操縱器(1a、1b)，以及e)重復所述步驟a)至d)，直到所述操縱器(1a、1b)到達所述基準軌跡(rf)的終點為止。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，在所述步驟c)中，所述第一分量(uxv)具有比較小的值。
全文摘要
一種自動演奏器鋼琴，包括形成伺服控制環(huán)(304)的鍵傳感器(7)、電磁控制的鍵致動器(6)和控制器(302)，并且在伺服控制環(huán)(304)的控制下再現(xiàn)鍵運動；伺服控制環(huán)(304)將驅(qū)動脈沖信號(ui)調(diào)整到目標占空比或平均電流，以便強迫黑鍵和白鍵(1a、1b)在基準鍵軌跡(rf)上行進；控制器(302)將鍵運動分類為半行程或全行程，并在目標鍵位置(rx)和實際鍵位置(yx)之間的偏差、目標鍵速度(rv)和實際鍵速度(yv)之間的偏差以及鍵運動種類的基礎上確定目標占空比，以便使鍵運動穩(wěn)定。
文檔編號G10H1/00GK1746968SQ20051009105
公開日2006年3月15日 申請日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月7日
發(fā)明者佐佐木智也 申請人:雅馬哈株式會社