高保真度自动演奏器乐器、其中使用的自动演奏器和方法

专利名称：高保真度自动演奏器乐器、其中使用的自动演奏器和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于自动演奏乐曲的自动演奏器乐器(automatic playermusical instrument)，特别涉及一种用于在乐曲数据代码的基础上自动演奏乐曲的自动演奏器乐器、形成该自动演奏器乐器的一部分的自动演奏器、以及用于控制该自动演奏器乐器的方法。
背景技术：
自动演奏器钢琴是自动演奏器乐器的典型示例。自动演奏器钢琴是用原声钢琴和自动演奏系统制造的，并且自动演奏系统在诸如MIDI(乐器数字接口)协议中定义的乐曲数据代码的乐曲数据代码的基础上有选择地引起键运动。在键运动期间，黑键和白键通过动作单元引起弦槌的旋转，并使弦槌在旋转的终点与弦相碰撞。然后，弦开始振动，并且该振动产生钢琴音调。
钢琴音调的响度与撞击弦之前瞬间的弦槌速度成比例，而弦槌速度与键轨迹上某个点的键速度成比例。由于这一原因，有可能通过控制黑键和白键来将钢琴音调调整到目标响度。在下文中，将所述某个点称为“基准键点”，并将基准键点处的键速度称为“基准键速度”。在下文中，将先前在乐曲数据代码的基础上确定的键轨迹称为“基准键轨迹”。只要黑键和白键在基准键轨迹上行进，黑键和白键就以基准键速度的目标值经过基准键点。
电磁控制(solenoid-operated)的键致动器和合适的传感器与数据处理单元一起形成伺服控制环。由于键速度随着提供给电磁控制的键致动器的驱动信号的量值(magnitude)而变化，因此数据处理单元周期性地检查代表键运动的键数据，以查看黑键和白键是否在基准键轨迹上行进。当黑键和白键在基准键轨迹上行进时，数据处理单元将驱动信号保持在该量值的目标值。然而，如果黑键和白键偏离了基准键轨迹，则数据处理单元增大或减小该量值的目标值，以便强迫黑键和白键在基准键轨迹上行进。这样，在自动演奏期间，黑键和白键处于通过伺服控制环进行的控制之下。
在日本专利公开第2923541号和第2737669号以及日本专利申请公开第Hei 10-228276号中公开了现有技术的伺服控制技术。在日本专利公开第2923541号和第2737669号公开的现有技术伺服控制技术中，通过将目标键速度和目标键行程(keystoke)与从传感器报告的实际键速度和实际键行程相比较来控制键运动。在日本专利申请公开第Hei 10-228276号公开的现有技术伺服控制技术中，将偏差值和增益从外部任意地赋给数据处理单元，并且期望偏差值和增益从现有技术自动演奏器钢琴中消除产品的个体性。
尽管通过现有技术自动演奏器钢琴较好地再现了简单的乐曲节(passage)，但是听众觉得重放中的复杂的乐曲节有时候比较奇怪。因而，现有技术自动演奏器钢琴中固有的问题是低保真度。

发明内容
因此，本发明的重要目的是提供一种提高其保真度的自动演奏器乐器。
本发明的另一重要目的是提供一种适合于自动演奏器乐器的自动演奏器。
本发明的另一重要目的是提供一种用于以高保真度自动产生一首乐曲的方法。
本发明人考虑了现有技术自动演奏器钢琴中固有的问题，并且注意到现有技术自动演奏器钢琴不能通过某些种类的手指弹奏，例如半行程(half stroke)产生钢琴音调。在半行程中，黑键和白键在前往终点位置的途中被释放，并在前往静止位置的途中被再次按下。本发明人发现，黑键和白键没有跟随活塞运动，并且以不同的响度产生了音调。当自动演奏器以小响度产生音调时，这一现象较为严重。详细地说，当请求数据处理单元产生音调时，数据处理单元指定要用电磁控制的键致动器推动的黑键或白键、基准键速度的目标值和开始推动该黑键或白键的时刻。为了确定开始推动黑键或白键的时刻，数据处理单元考虑到键速度而从产生音调的时刻开始逆向计算。如果键速度较高，即目标响度较大，则开始推动键的时刻接近于产生音调的时刻。然而，如果键速度较低，则时间间隔将被设置得较长。尽管将以短间隔重复音调，但是对于小响度的重复(repetition)，自动演奏器需要开始推动键的时刻和产生音调的时刻之间的长时间间隔。这样，期望自动演奏器使相冲突的条件互相妥协。当自动演奏器未能实现妥协时，活塞击打黑/白键，或强有力地推动它。这产生了不同响度的音调，并且听众觉得演奏很奇怪。本发明人得出结论在半行程和普通的键运动之间，伺服控制的条件应当是不同的。
为了达到所述目的，本发明提出根据运动种类改变驱动信号的量值。
根据本发明的一个方面，提供一种用于产生音调的自动演奏器乐器，包括原声乐器，其包括被有选择地移动以指定音调的音高的多个操纵器和音调生成器，该音调生成器连接到所述多个操纵器，并响应所述多个操纵器的运动，以便以指定的音高产生音调；以及自动演奏器，包括用于产生代表表示所述运动的物理量的检测信号的多个传感器、被驱动信号有选择地激励以便引起所述多个操纵器的运动的多个致动器、和控制器，该控制器连接到所述多个传感器和所述多个致动器，用于形成伺服控制环，并利用驱动信号强迫所述多个操纵器在基准轨迹上行进，所述驱动信号的量值包含代表所述伺服控制环的响应特性的环路增益(loop gain)分量、和代表要施加在所述多个操纵器上的恒定负载的基本分量，控制器将所述运动分类为第一种运动和第二种运动，其中，在所述第一种运动中，所述多个操纵器通过比临界时间周期长的逆转(reversal)来改变运动方向，在所述第二种运动中，所述多个操纵器通过等于或短于临界时间周期的逆转来改变运动方向，并且在第二种运动中，控制器增大逆转附近的基本分量，以便保持所述运动稳定。
根据本发明的另一方面，提供一种用于具有多个操纵器和音调生成器的乐器的自动演奏器，包括多个传感器，用于产生代表表示所述多个操纵器的运动的物理量的检测信号；多个致动器，被驱动信号有选择地激励，以便引起所述多个操纵器的运动；以及控制器，连接到所述多个传感器和所述多个致动器，用于形成伺服控制环，并利用驱动信号强迫所述多个操纵器在基准轨迹上行进，所述驱动信号的量值包含代表伺服控制环的响应特性的环路增益分量、和代表要施加在所述多个操纵器上的恒定负载的基本分量，控制器将所述运动分类为第一种运动和第二种运动，其中，在所述第一种运动中，所述多个操纵器通过比临界时间周期长的逆转来改变运动方向，在所述第二种运动中，所述多个操纵器通过等于或短于临界时间周期的逆转来改变运动方向，并且在第二种运动中，控制器增大逆转附近的基本分量，以便保持所述运动稳定。
根据本发明的另一方面，提供一种用于通过伺服控制环来控制乐器的操纵器的方法，包括以下步骤a)将基准轨迹上的物理量的目标值与实际轨迹上的物理量的实际值相比较，使得通过该比较确定实际轨迹与基准轨迹的偏差，其中，所述基准轨迹代表要实现的操纵器的运动，而操纵器沿所述实际轨迹行进；b)当操纵器的运动被分类为操纵器通过比临界时间周期长的逆转改变运动方向的第一种运动时，将驱动信号调整为包含第一分量和具有比较小的值的第二分量的量值，其中，所述第一分量是在环路增益基础上确定的，所述环路增益代表用于减小所述偏差的伺服控制环的响应特性；c)当操纵器的运动被分类为操纵器通过等于或短于临界时间周期的逆转改变运动方向的第二种运动时，将驱动信号调整为包含第一分量和具有比较大的值的第二分量的另一量值，而不执行步骤c)；d)将驱动信号提供给与操纵器相关并形成伺服控制环一部分的致动器，使得在实际轨迹上进一步移动操纵器；以及e)重复步骤a)至d)，直到操纵器到达基准轨迹的终点为止。


根据结合附图的以下描述，将更清楚地理解自动演奏器乐器、自动演奏器和方法的特征和优点，其中图1是示出根据本发明的自动演奏器钢琴的结构的侧视图，图2是示出合并在自动演奏器钢琴中的电气系统的系统配置的方框图，图3是示出用于黑键和白键1a/1b的伺服控制环的功能的方框图，图4是示出对于重复将访问的增益和加数表的视图，图5是示出对于标准手指弹奏将访问的增益和加数表的视图，图6是示出用于确定半行程中的增益和加数的任务序列的流程图，以及图7是示出用于确定全行程(full-stroke)中的增益和加数的任务序列的流程图。
具体实施例方式
实施本发明的自动演奏器乐器主要包括原声乐器和自动演奏器。尽管任何种类的乐器都可以充当原声乐器，但在下文中，在原声钢琴充当原声乐器的假设下进行描述，以更好进行理解。
由于演奏者按下和释放黑键和白键以指定要产生的音调的音高，因此黑键和白键充当“操纵器”。黑键和白键的运动通过动作单元引起弦槌的自由旋转，并且弦槌在自由旋转的终点撞击弦，以产生音调。出于此原因，动作单元、弦槌和弦作为整体构成“音调生成器”。
自动演奏器包括致动器、传感器和控制器，并且致动器、传感器和控制器形成伺服控制环。在此实例中，致动器引起键运动，并且传感器分别监控黑键和白键。然而，致动器可以直接驱动动作单元，并且传感器可以监控致动器的可移动部分。
控制器有选择地激励致动器，以便引起键运动。另一方面，传感器产生代表一物理量的检测信号，该物理量表示相关的黑键和白键的键运动。当自动演奏器重演由一组乐曲数据代码表示的演奏时，控制器分析该乐曲数据代码，以确定基准键轨迹。
基准键轨迹是随时间变化的目标键位置。如果黑键和白键在基准键轨迹上行进，则使弦槌以目标最终弦槌速度与相关的弦碰撞，并以目标响度产生音调。出于此原因，控制器利用驱动信号使致动器强迫黑键和白键在基准键轨迹上行进。如果控制器发现黑/白键偏离了基准键轨迹，则控制器改变驱动信号的量值，以便使实际键轨迹与基准键轨迹一致。
如果在原演奏中演奏者将所有黑键和白键从静止位置按压到终点位置，则该键运动被分类为全行程，并且通过现有技术控制技术将较好地再现全行程键运动。然而，在原演奏中，演奏者通常将半行程与全行程相混合。半行程的典型示例是演奏者在从终点位置到静止位置的途中按下黑/白键的键运动。向上运动和向下运动之间的转折点被称为“逆转”。当用户反复按下黑/白键即重复时，键运动被分类为半行程。重复不是半行程的唯一示例。如结合现有技术所述，在自动演奏时，半行程比较麻烦。
全行程和半行程之间的标准是逆转中的转变时间(transit time)。在多种型号的钢琴中，转变的临界时间周期不同。0转变时间周期适合于某种型号的钢琴，而100毫秒适于另一种型号的钢琴。然而，100毫秒的临界时间周期对于再一种型号来说太长，而对于另外一种型号来说太短。出于此原因，制造商通过实验来确定适当的临界时间周期。
驱动信号的量值分解为环路增益分量和基本分量。环路增益分量表示伺服控制环的响应特性。如果环路增益分量增大，则伺服控制环试图迅速地将基准键轨迹和实际键轨迹之间的偏差减到最小，并且键运动变得不稳定。另一方面，基本分量表示要施加在黑/白键上的恒定负载。如果基本分量增大，则黑键和白键试图保持键运动的趋势，并且键运动变得稳定。
根据本发明的控制器把要实现的键运动分类为第一种键运动即全行程、或第二种键运动即半行程，并根据键运动的种类将环路增益分量和基本分量调整到最佳比率。假设键运动被分类为半行程。控制器增大逆转附近的基本分量。于是，键运动变得稳定，并且以目标响度产生音调。这是本发明的突出特征。当黑/白键显示出比较低的速度的半行程时，对付现有技术中固有的问题，增大基本分量是有效的。高速和低速之间的标准取决于钢琴的型号。某个型号的钢琴具有200毫米每秒的高速和低速之间的边界。然而，这一边界对于另一型号来说太快，而对于再一型号来说太慢。制造商通过实验来确定该边界。
如果在增大基本分量的条件下减小逆转附近的环路增益分量，则键运动变得更加稳定，并且是令人满意的。然而，当黑键和白键在与逆转隔开的区域中行进时，对于该黑键和白键，需要强大的伺服控制。出于此原因，增大环路增益分量。在多种型号的钢琴中，该区域和逆转附近的另一区域之间的边界是不同的。某种型号的钢琴具有10毫米量级的全键行程，并且这两个区域之间的边界被发现位于静止位置和终点位置之间的中点。然而，这两个区域之间的边界根据钢琴型号而变化。制造商也通过实验来确定该边界。
如将从上面的描述理解的那样，控制器有选择地把要实现的键运动分类为两种键运动，并根据键运动的种类优化环路增益分量和基本分量之间的比率。结果，逆转附近的键运动变得稳定，并且原声钢琴以目标响度产生音调，而没有令人讨厌的双击和漏音。
在以下描述中，术语“前面”表示比用术语“后面”修饰的位置更靠近演奏者的位置，该演奏者正坐在凳子上用手指弹奏。在前面位置和对应的后面位置之间画的线沿“纵向”延伸，并且横向以直角与纵向相交。
第一实施例参照附图的图1，实施本发明的自动演奏器钢琴主要包括原声钢琴100和电气系统，该电气系统充当自动演奏系统300和记录系统500。自动演奏系统300和记录系统500安装在原声钢琴100中，并根据操作模式而被有选择地激活。当演奏者在原声钢琴100上用手指弹奏一首乐曲而没有任何记录和重放指令时，原声钢琴100表现得与标准原声钢琴相似，并以通过手指弹奏指定的音高产生钢琴音调。
当演奏者希望记录他或她在原声钢琴100上的演奏时，演奏者向电气系统发出记录指令，并且记录系统500准备好记录该演奏。然后，记录系统500被激活。当演奏者在原声钢琴100上用手指弹奏时，记录系统500产生代表原声钢琴100上的演奏的乐曲数据代码。这样，演奏被存储在一组乐曲数据代码中。
假设用户希望再现该演奏。用户命令电气系统再现原声音调。然后，自动演奏系统300准备好重放。自动演奏系统300在原声钢琴100上弹奏这首乐曲，并在没有人类演奏者的手指弹奏的情况下重演该演奏。
在下文中详细描述原声钢琴100、自动演奏系统300和记录系统500。
原声钢琴在此实例中，原声钢琴100是大钢琴。原声钢琴100包括键盘1、动作单元2、弦槌3、弦4和制音器(damper)5。中盘(key bed)102形成钢琴箱体(cabinet)的一部分，并且键盘1安装在中盘102上。键盘1与动作单元2和制音器5链接，并且钢琴家通过键盘1有选择地驱动动作单元2和制音器5。通过键盘1而被有选择地驱动的制音器5与相关的弦4隔开，使得弦4准备好振动。另一方面，通过键盘1而被有选择地驱动的动作单元2引起相关弦槌3的自由旋转，并且该弦槌3在自由旋转的终点撞击相关的弦4。然后，弦4振动，并且通过弦4的振动产生原声音调。这样，键盘1、动作单元2、制音器5、弦槌3和弦4表现得与标准原声钢琴的那些部件相似。
键盘1包括多个黑键1a、多个白键1b和键架中板(balance rail)104。在此实例中，88个键1a/1b被合并在键盘1中。黑键1a和白键1b以众所周知的模式放置，并被平衡键销(balance key pin)P可移动地支撑在键架中板104上。当没有在黑/白键1a/1b上施加任何力时，弦槌3和动作单元2将自重施加到黑/白键1a/1b的后部，并且黑/白键1a/1b的前部与键架前板(front rail)106隔开，如实线画出的那样。实线所指示的键位置是“静止位置”，并且键行程为0。
当钢琴家按下黑/白键1a/1b时，前部逆着动作单元/弦槌2/3的自重而下降，并到达由点划线指示的“终点位置”。终点位置沿着键轨迹与静止位置隔开10毫米。换句话说，从静止位置到终点位置的键行程是10毫米。
假设用户按下黑键和白键1a/1b的前部。前部向键架前板106下降，而后部升高。键运动导致相关动作单元2的激活，并进一步使弦4准备好振动，如上文所述。激活的动作单元2通过脱离来驱使相关的弦槌3自由旋转。弦槌3在自由旋转的终点撞击相关的弦4，以产生原声音调。弦槌3在弦4上回弹，并再次落到相关的键运动单元2上。
当用户释放黑键和白键1a/1b时，动作单元/弦槌2/3的自重引起黑键和白键1a/1b沿相反方向旋转，使得黑键和白键1a/1b返回静止位置。制音器5与相关的弦4相接触，使得原声音调被衰减。键动作单元2再次返回静止位置。这样，人类钢琴家可以引起绕键架中板104的角键运动，就像跷跷板一样。
自动演奏系统在下文中，在参考图1的同时参考图2，对自动演奏系统300和记录系统500进行描述。自动演奏系统300包括键致动器6的阵列、键传感器7、存储设备23、操纵板(未示出)和控制器302。另一方面，记录系统500包括弦槌传感器8、键传感器7、存储设备23、控制器302和操纵板(未示出)。因而，在自动演奏系统300和记录系统500之间共享系统组件7、23、控制器302和操纵板(未示出)。
形成自动演奏系统300的一部分的控制器302的功能分解为预数据处理器10和运动控制器11。代表要重演的演奏的一组乐曲数据代码被加载到预数据处理器10中。作为示例，这组乐曲数据被存储在存储设备23中。键传感器7将代表实际键位置的键位置信号提供给运动控制器11。键位置信号充当反馈信号yxa。预数据处理器10按顺序分析乐曲数据代码，并确定要再现的钢琴音调和再现钢琴音调的定时。当开始推动黑/白键1a/1b的时刻到来时，预数据处理器10确定黑/白键1a/1b的基准轨迹，并将代表基准键轨迹的控制数据信号rf提供给运动控制器11。基准键轨迹是随时间变化的一系列的键位置目标值。这样，将代表随时间变化的目标值的控制信号rf从预数据处理器10提供给运动控制器11。黑/白键1a/1b以基准键速度的目标值经过基准键点，并使相关的弦槌3获得最终弦槌速度，其中，在相关的黑/白键1a/1b在基准键轨迹上行进的条件下，最终弦槌速度与音调的响度成比例。
预数据处理器10还分析一系列的目标键位置的目标值，即基准键轨迹，以查看键运动是被分类为全行程或半行程。如果在静止位置或在前往静止位置途中的某个位置处立即按下黑/白键，则基准键轨迹从先前的基准键轨迹起继续下去，而不在静止位置或所述某个位置处中断，即，基准键轨迹与先前的基准键轨迹相交，并且预数据处理器10判定将键运动分类为半行程。另一方面，当基准键轨迹具有与先前基准键轨迹的向上路线的终点隔开的向下路线的起点时，预数据处理器10判定将键运动分类为全行程。这样，预数据处理器10在要移动的每个黑/白键1a/1b的基准键轨迹的基础上，判断手指弹奏的种类。在日本专利申请公开第Hei 9-81125号中公开了用于判断键运动的方法。在此实例中，在自动演奏器302中采用了所述日本专利申请公开中公开的方法，使得预数据处理器10在一系列目标键位置值中搜索键运动的逆转，而不在静止位置处中断。
在所述日本专利申请公开中公开的方法包括以下步骤。朝向终点位置的基准轨迹被称为“基准前向轨迹”，而相反方向的基准轨迹被称为“基准后向轨迹”。首先，控制器获取基准前向轨迹、基准点、静止位置上的初始速度以及键经过基准点的时刻，并估计键开始在基准前向轨迹上运动的开始时刻，并在开始时刻和键速度的基础上进一步估计到达终点位置的到达时刻t3。随后，控制器获取基准后向轨迹上的基准点、键经过该基准点的时刻以及基准后向轨迹上的初始键速度，并估计键开始在基准后向轨迹上开始运动的开始时刻t0N。如果开始时刻t0N比到达时刻t3早，则控制器判定键运动是半行程。
半行程和全行程之间的标准是当前键运动和先前键运动之间的间隔。如果该间隔等于或小于临界时间周期，则键运动被分类为半行程。另一方面，如果黑/白键1a/1b停止了比临界时间周期长的时间周期，则键运动被分类为全行程。临界时间周期根据钢琴型号而变。出于此原因，制造商通过实验确定临界时间周期。在此实例中，临界时间周期为0的数量级。
当预数据处理器10判定将键运动分类为半行程时，预数据处理器10确认该重复，并增大代表该判定的标志rr，即，将标志rr设置为“1”。另一方面，当预数据处理器10判定将键运动分类为全行程时，预数据处理器10确认该标准手指弹奏，并减小标志rr，即，将标志rr设置为“0”。“标准手指弹奏”是指钢琴家在停止在静止位置之后按下黑/白键。
运动控制器11将驱动信号ui提供给电磁控制的键致动器6，并通过基准键轨迹上的目标键位置和从键传感器7报告的实际键位置之间、以及目标键速度和实际键速度之间的比较，周期性地将驱动信号ui调整到适当的平均电流值，以便强迫黑/白键1a/1b在基准轨迹上行进。在下文中，用“rx”和“rv”来标记目标键位置和目标键速度，并用“yx”和“yv”来标记实际键位置和实际键速度。在此实例中，由于终点位置与静止位置隔开10毫米，因此键行程或目标键位置rv/实际键位置yx落在从0到10毫米的范围内。另一方面，目标键速度rv和实际键速度yv落在从0到500毫米每秒的范围内。
另一方面，形成记录系统500的一部分的控制器302的功能分解为记录控制器12和后数据处理器13。弦槌传感器8将代表实际弦槌位置的弦槌位置信号提供给记录控制器12，并且记录控制器12确定最终弦槌速度和弦槌3撞击弦4的时刻。记录控制器12还确定分配给被按下/释放的键1a/1b的键编号、实际键速度和钢琴家开始按下黑/白键1a/1b的时刻。记录控制器12分析代表键运动和弦槌运动的这些乐曲数据，并将事件数据提供给后数据处理器13。事件数据表示在MIDI协议中定义的音符开(note-on)事件或音符关(note-off)事件。
后数据处理器13将事件数据正规化，使得从事件数据中消除自动演奏器钢琴的个体性。正规化的事件数据被后数据处理器113以MIDI协议中定义的适当格式编码。
键致动器6被驱动信号ui单独激励，以推动相关的黑键和白键1a/1b。这意味着键致动器6的数目等于黑键和白键1a/1b的数目。在此实例中，利用电磁控制的致动器单元来实现键致动器6。
每个电磁控制的键致动器单元6包括活塞9a和螺线管与轭(yoke)的组合结构9b。螺线管装在轭中，并且活塞9a可以从螺线管伸出或者收缩进螺线管中。在下文中，将螺线管与轭的组合结构9b简称为“螺线管9b”或“多个螺线管9b”。电磁控制的键致动器单元6的阵列悬挂在中盘102上。当在没有任何处于有效电平的驱动信号ui的情况下、电磁控制的键致动器单元6保持空闲时，活塞9a收缩到相关的螺线管9b中，并且活塞9a的顶端略微与处于静止位置的相关黑键和白键1a/1b的下表面隔开。
当控制器302利用驱动信号ui激励某个螺线管9b时，在活塞9a周围产生磁场，并且磁力被施加到磁场中的活塞9a上。然后，活塞9a从相关的螺线管9b向上伸出，并推动黑键和白键1a/1b后部的下表面，以便引起相关的黑/白键1a/1b的角运动。黑/白键1a/1b驱动相关的动作单元2，以及形成动作单元2一部分的顶杆脱离弦槌3。通过该脱离，弦槌3开始自由旋转，并且弦槌3在自由旋转的终点撞击弦4。尽管电磁控制的键致动器6、黑/白键1a/1b、动作单元2和弦槌3在机械上彼此独立，但是电磁控制的键致动器6顺次引起键运动、顶杆的脱离和弦槌3的自由旋转，并导致弦槌3撞击弦4，以便产生钢琴音调。
分别利用键传感器7来监控黑/白键1a/1b。键传感器7被提供在黑/白键1a/1b前部的下方，并具有各自的与全部键行程重合的可检测范围。键传感器产生跨过相关的黑/白键1a/1b的轨迹的光束，并且光量根据相关黑/白键1a/1b的实际键位置而变化。这样，键传感器7被分类为光位置变换器，并且作为示例，在日本专利公开第2923541号中公开了键传感器7的结构。
光量代表代表实际键位置，并被转换为光电流。光电流形成代表实际键位置的键位置信号yxa，并且键位置信号yxa被提供给控制器302。键位置信号yxa的量值根据实际键位置而变化，并且改变率表示键速度。将键位置信号从键传感器7提供给记录控制器12和运动控制器11二者，以便在如上文所述的记录和对黑/白键1a/1b的伺服控制中使用。
弦槌传感器8也利用光位置变换器来实现。在日本专利申请公开第2001-175262号中公开的光位置变换器可用于弦槌传感器8。弦槌传感器8被合并在记录系统500中，并且弦槌位置信号被提供给记录控制器12。
如将在图2中看到的那样，控制器302包括被简写为“CPU”的中央处理单元20、被简写为“ROM”的只读存储器21、被简写为“RAM”的随机存取存储器22、总线系统20B、被简写为“I/O”的接口24和脉冲宽度调制器25。这些系统组件20、21、22、24和25连接到总线系统20B，并且存储设备23也连接到总线系统20B。将地址代码、控制数据代码和乐曲数据代码有选择地从特定系统组件通过总线系统20B传送给其它系统组件。尽管未在图2中示出，但是时钟生成器和分频器被合并在控制器302中，并且系统时钟信号和节拍(tempo)时钟信号使系统组件彼此同步，并产生各种计时器中断。
中央处理单元20是数据处理能力的起源。主例程(main routine program)、子例程(subroutine program)和数据/参数表被存储在只读存储器21中，并且计算机程序在中央处理单元20上运行，以便作为预数据处理器10、运动控制器11、记录控制器12和后数据处理器13来完成任务。一种数据表用来如将在下文中详细描述的那样确定反馈增益kx和kv，并且在下文中将其称为“增益表”。另一种数据表用于确定加数u，并且在下文中将其称为“加数表”。随机存取存储器22提供临时数据存储，并充当工作存储器。
存储设备23向自动演奏和记录系统300/500提供大容量存储器。在记录和重放时，乐曲数据代码被存储在存储设备23中。在此实例中，利用硬盘驱动器来实现存储设备23。柔性盘(flexible disk)驱动器或软盘(商标)驱动器、诸如例如CD-ROM驱动器的光盘驱动器、磁光盘驱动器、ZIP盘驱动器、DVD(数字多用途盘)驱动器和半导体存储板均可用于系统300/500。
弦槌传感器8、键传感器7和操纵板(未示出)连接到接口24，并且脉冲宽度调制器25将驱动信号ui传递给电磁控制的键致动器6。将键位置信号yxa和弦槌位置信号连续地从键传感器7和弦槌传感器8提供给接口24。模拟-数字转换器A/D(参见图3)被合并在接口24中，以便将弦槌位置信号和键位置信号yxa转换为数字弦槌位置信号和数字键位置信号yxd。系统时钟信号周期性地引起对中央处理单元20的计时器中断，使得中央处理单元20周期性地从接口24取出代表实际键位置的位置数据和代表实际弦槌位置的位置数据。控制器302还可包括一通信接口，乐曲数据代码被从远程数据源通过公共通信网络提供给该通信接口。
驱动信号ui在脉冲宽度调制器25中产生，并被提供给电磁控制的键致动器6。脉冲宽度调制器25响应从中央处理单元20提供的控制信号，以便改变驱动信号ui的平均电流或占空比。由于磁力与驱动信号ui的平均电流成比例，因此有可能利用驱动信号ui来控制活塞速度。在此实例中，中央处理单元20、脉冲宽度调制器25、键致动器6、键传感器7和接口24形成伺服控制环304，并且黑键和白键1a/1b被插入伺服控制环304中。
伺服控制图3示出了用于对黑/白键1a/1b进行伺服控制的运动控制器11的功能。在此实例中，利用软件来实现运动控制器11。
在图3中，圆圈31和32代表减法器，并且圆圈36和37代表加法器。减法器31确定目标键位置rx和实际键位置yx之间的位置偏差，而另一减法器32确定目标键速度rv和实际键速度yv之间的速度偏差。
方框24代表合并在接口24中的模拟-数字转换器A/D，并且方框30代表在每个时间周期目标键位置rx和目标键速度rv的确定。在每个采样时间周期内，中央处理单元20从模拟-数字转换器24中取出数字键位置信号yxd，并以1毫秒的间隔重复进行该数据取出。采样时间周期等于“每个时间周期”，并且因此，“每个时间周期”等于1毫秒。从预数据处理器10提供目标键位置rx，并通过对一系列目标键位置rx值的微分来确定目标键速度rv。
方框33代表增益和加数计算器。计算器33分析目标键位置rx，并在目标键位置rx和目标键速度rv的基础上，确定位置增益kx的值和速度增益kv的值。计算器33还响应代表键运动种类即全行程或半行程的标志rr，以便确定加数u。位置增益kx和速度增益kv对伺服控制环304的响应特性具有影响，并且利用加数u将该响应特性优化为手指弹奏。在此实例中，中央处理单元20、计算机程序、增益表和加数表实现计算器33。
方框34和35代表放大器。放大器34将位置偏差ex乘以位置增益kx，而另一放大器将速度偏差ev乘以速度增益kv。乘积ux和uv分别代表平均电流的某个百分比和平均电流的另一某个百分比。这样，方框34和35将以毫米为单位的行程和以毫米每秒为单位的速度转换为归于键位置的百分比和归于键速度的另一百分比。在加法器36处，将乘积ux和uv彼此相加，并在加法器37处，进一步将加数u加到和数uxv，即(ux+uv)上。从加法器37将总和(ux+uv+u)作为控制数据提供给脉冲宽度调制器25，并且脉冲宽度调制器25将占空比调整为所述总和。这样，运动控制器11不仅根据位置偏差ex和速度偏差ev、还根据标志rr来优化伺服控制环304的响应特性。这导致自动演奏时的高保真度。
方框25和38分别代表脉冲宽度调制器25的功能和正规化。方框39代表速度计算器，该速度计算器在实际键轨迹上的预定数目的实际键位置值的基础上确定实际键速度yv的值。
图4和5示出了增益表和加数表。当预数据处理器10将键运动分类为半行程时，标志rr被设置为1，并且中央处理单元20访问图4示出的增益表和加数表。另一方面，当预数据处理器10将键运动分类为全行程时，标志rr被减小，即rr＝0，并且中央处理单元20从图5示出的增益表和加数表中读取位置增益kx、速度增益kv和加数u。在此实例中，如上文所述，增益表和加数表被存储在只读存储器21中。可以将那些表存储在存储设备23中，并在进入用于自动演奏的子例程时，将其从存储设备23传递给随机存取存储器22。在交付给用户之前，制造商通过实验确定了位置增益kx、速度增益kv和加数u，并将位置增益kx、速度增益kv和加数u存储在只读存储器21或存储设备23中。
假设中央处理单元20发现目标键位置rv、目标键速度rv和标志rr等于或小于5毫米、等于或小于200毫米每秒以及等于1。键运动被分类为半行程。并且将以比较低的速度移动黑/白键1a/1b。然后，中央处理单元20以0至5毫米的目标键位置rv、等于或小于200毫米每秒的目标键速度rv以及值为1的标志访问图4示出的增益表和加数表，并从该增益表和加数表的最左列中读出值为0.1的位置增益kx、值为0.2的速度增益kv以及值为15％的加数u。然而，如果目标键位置rx落在5毫米至10毫米之间的范围内，则中央处理单元20读取如所述表的第二列所示的值为0.1的位置增益kx、值为0.4的速度增益kv以及值为(9+4×rv/100)％的加数u。
另一方面，如果要以比较高的速度，即大于200毫米每秒的速度移动黑/白键1a/1b，则中央处理单元20访问图4示出的增益和加数表中右边的列。如果目标键位置rx落在从0至4毫米的范围内，则中央处理单元20从增益和加数表的第三列中读出值为0.6的位置增益kx、值为0.3的速度增益kv以及值为(9+2×(rv-100)/100)％的加数。然而，如果中央处理单元20发现目标键位置rx在4毫米和10毫米之间，则中央处理单元20从增益和加数表的第四列中读出值为0.15的位置增益kx、值为0.4的速度增益kv以及值为(9+2×(rv-100)/100)％的加数。
另一方面，当预数据处理器10将键运动分类为全行程时，中央处理单元20访问图5示出的增益和加数表。假设中央处理单元20发现将以等于或小于100毫米每秒的比较低的速度移动黑/白键1a/1b。中央处理单元20根据键行程，有选择地从增益和加数表的第一和第二列中读出位置增益kx、速度增益kv和加数u。如果目标键位置rx落在从0至4毫米的范围内，则中央处理单元20从增益和加数表的第一列中读出值为0.6的位置增益kx、值为0.3的速度增益kv以及值为9％的加数u。另一方面，如果目标键位置rx落在4毫米和10毫米之间的范围内，则中央处理单元20从增益和加数表的第二列中读出值为0.2的位置增益、值为0.3的速度增益kv以及值为9％的加数。
假设中央处理单元20发现将以大于100毫米每秒的比较高的速度移动黑/白键1a/1b。中央处理单元20根据键行程，有选择地从增益和加数表的第三和第四列中读出位置增益kx、速度增益kv和加数u。如果目标键位置rx落在从0至4毫米的范围内，则中央处理单元20从增益和加数表的第三列中读出值为0.6的位置增益kx、值为0.3的速度增益kv以及值为(9+2×(rv-100)/100)％的加数u。另一方面，如果目标键位置rx落在4毫米和10毫米之间的范围内，则中央处理单元20从增益和加数表的第四列中读出值为0.2的位置增益、值为0.3的速度增益kv以及值为(9+2×(rv-100)/100)％的加数。
图4和5示出的增益和加数表是在以下事实的基础上准备的。当在半行程中电磁控制的键致动器重复音调时，键运动趋向于不稳定，并且伺服控制容易被破坏。具体地说，期望电磁控制的键致动器将黑/白键1a/1b引导到基准键轨迹的浅区域，即等于或小于5毫米的键行程中的终点位置。如果在比较低的速度下响应特性太强，即rv等于或小于200毫米每秒，则键运动变得非常不稳定。出于此原因，速度增益kv和位置增益rx的值应当较小。然而，伺服控制环304必须使黑/白键1a/1b通过逆转无误地向终点位置前进。大加数u使活塞9a强有力地推动黑/白键1a/1b的后部，使得黑/白键1a/1b无误地改变键运动的方向。结果，由于活塞9a对黑/白键1a/1b的撞击，电磁控制的键致动器6准确地再现重复，而没有响度的差别和噪声。
另一方面，当黑/白键1a/1b以比较低的速度在深区域中行进时，大速度增益kv被赋给伺服控制环304，并且加数u随着目标速度rv一起改变，即(9+4×rv/100)。结果，响应特性变得对速度差ev敏感，并且黑/白键1a/1b被强迫在基准键速度上行进。
如将从前面的描述理解的那样，当黑/白键1a/1b以等于或小于200毫米每秒的比较低的速度在表示重复的基准键轨迹上的浅区域即0到5毫米之间的区域内行进时，根据本发明的伺服控制环304利用大加数u强迫黑/白键1a/1b无误地转向。另一方面，当黑/白键1a/1b进入深区域即5毫米到10毫米之间的区域时，伺服控制环利用大速度增益kv来增强响应特性。这导致以高保真度再现键运动。这样，在以比较低的键速度再现重复时，根据本发明的伺服控制环304根据黑/白键1a/1b的深度显示出变化的响应特性。
在下文中，对一黑/白键1a/1b的伺服控制进行描述。运动控制器11以分时的方式向所有黑键和白键1a/1b施加以下伺服控制，使得对其它黑/白键1a/1b的伺服控制与对该黑/白键1a/1b的伺服控制相似。
当用户激励自动演奏器300时，键传感器7开始监控相关的黑键和白键1a/1b。监控某个黑/白键1a/1b的键传感器7将表示实际键位置yk的模拟键位置信号yxa提供给接口24，并且模拟-数字转换器A/D将模拟键位置信号yxa的电势电平转换为一系列离散值。这些离散值被编码，并且中央处理单元20周期性地从接口24取出数字键位置信号yxd或离散值。
数字键位置信号yxd经过方框38，并受到正规化。由数字键位置信号yxd代表的位置数据是以毫米表示的，并且从位置数据中消除了键传感器7的个体性。这样，正规化的键位置信号yx从方框38输出，并被提供给减法器31。正规化的键位置信号yx代表实际键位置，并且也用“yx”来标记。
正规化的键位置信号yx还被提供给方框39，并且，在实际键位置yx的基础上计算实际键速度yv。对实际键位置yx进行微分。可以按照下面所述来确定实际键轨迹上的某个点的键速度。首先，从随机存取存储器中读出所述某个值之前的3个实际键位置值以及所述某个值之后的3个实际键位置值。随后，将这7个实际键位置值逼近为二次曲线，并确定所述某个值处的切线。将也用“yv”标记的代表实际键速度的数字键速度信号yv从方框39提供给减法器32。
另一方面，预数据处理器10确定黑/白键1a/1b的基准键轨迹，并且将目标键位置间歇地从预数据处理器10提供给方框30。在目标键位置rx的基础上计算目标键速度rv，并且将目标键位置rx和目标键速度rv从方框30分别提供给减法器31和32。由于以等于对数字键位置信号yxd的采样间隔的间隔重新计算目标键位置rx和目标键速度rv，因此目标键位置rx和目标键速度rv与实际键位置yx和实际键速度yv同步更新。
当预数据处理器10确定基准键轨迹时，预数据处理器10将该基准键轨迹与先前的基准键轨迹相比较，以查看键运动是被分类为全行程还是半行程。如果基准键轨迹与先前的基准键轨迹相交，则预数据处理器10把要再现的键运动分类为半行程，并增大标志rr为“1”。另一方面，当初始基准键轨迹与先前的基准键轨迹隔开时，预数据处理器10把要再现的键运动分类为全行程，并保持或减小标志rr。标志rr的状态被提供给方框33。
由于还将目标键位置rx和目标键速度rv从方框30提供给方框33，因此从增益和加数表中读出位置增益kv、速度增益kv和加数u，并将其从方框33提供给方框34和35以及加法器37。
位置偏差ex和速度偏差ev在减法器31和32处确定，并被分别提供给方框34和35。分别将偏差ex和ev乘以位置增益kx和速度增益kv，并将乘积ux和uv从方框34和35提供给加法器36。如上文所述，乘积ux和uv表示占空比的百分比，使得和数uxv也表示占空比的百分比。加数u也表示占空比的百分比，并被加到所述乘积的和uxv上。这样，将代表目标占空比的控制数据从加法器37提供给脉冲宽度调制器25。
脉冲宽度调制器25将驱动信号ui调整到目标占空比，并且，将驱动信号ui从脉冲宽度调制器25提供给与黑/白键1a/1b相关的电磁控制的键致动器6。电磁控制的键致动器6将力施加到黑/白键1a/1b的后部，并且黑/白键1a/1b被进一步移动。键传感器7改变键位置信号yxa，并且，向运动控制器11通知实际键位置yk的新值。
这样，伺服控制环304重复上述控制序列，直到黑/白键1a/1b到达基准键轨迹的终点为止，并且通过伺服控制环304再现黑/白键1a/1b的键运动。
图6和7示出了用于方框33处的计算的计算机程序。中央处理单元20周期性地进入用于方框33处的计算的子例程。假设用户命令自动演奏器300重演由一组乐曲数据代码表示的演奏。中央处理单元20首先将键编号寄存器重置为0，如步骤S1。分别将键编号Kn分配给黑键和白键1a/1b，并且存储在键编号寄存器中的键编号Kn表示处于伺服控制下的黑/白键1a/1b。
中央处理单元20将键编号Kn增大1，如步骤S2。当中央处理单元20完成紧接在步骤S1之后的步骤S2处的任务时，键编号Kn是“1”，并表示键盘1上的最左边的白键1b。这样，88个黑键和白键1a/1b连续进入伺服控制之下。
当完成步骤S2处的任务时，中央处理单元20检查目标键速度rv，以查看黑/白键1a/1b是否在基准键轨迹上行进，如步骤S3。当目标键速度rv等于0时，步骤S3处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20前进到步骤S14。在步骤S14，中央处理单元20检查键编号寄存器，以查看是否已经控制了最右边的白键。如果答案给出为否定“否”，则中央处理单元20返回步骤S2，并再次增大键编号Kn。另一方面，如果步骤S14处的答案给出为肯定“是”，则中央处理单元20返回用于自动演奏的子例程。
另一方面，如果黑/白键1a/1b在基准键轨迹上行进、或准备好行进，则目标键速度rv大于0，并且步骤S3处的答案给出为肯定“是”。对于肯定答案“是”，中央处理单元20检查标志rr，以查看键运动是否被分类为半行程，如步骤S4。如果预数据处理器10已经将键运动分类为标准手指弹奏，则状态数据“0”被提供给运动控制器10，并且步骤S4处的答案给出为否定“否”。对于否定答案，中央处理单元20前进到步骤S5，并完成标准手指弹奏的任务。在下文中，将参考图7描述标准手指弹奏的任务。
假设预数据处理器10已经将键运动分类为半行程。状态数据“1”被提供给运动控制器11，并且步骤S4处的答案给出为肯定“是”。对于该肯定答案，中央处理单元20检查目标速度rv，以查看将以高速还是低速移动黑/白键1a/1b，如步骤S6。
当目标键速度rv大于200毫米每秒时，步骤S6处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20检查目标键位置rx，以查看黑/白键1a/1b是否进入深区域，如步骤S7。如果目标键位置rx小于4毫米，则黑/白键1a/1b仍然在浅区域内行进，并且步骤S7处的答案给出为否定“否”。对于否定答案“否”，中央处理单元20从增益和加数表中读出值为0.6的位置增益kx、值为0.3的速度增益kv和给出为(9+2×(rv-100)/100％)的加数u，如步骤S8。另一方面，当黑/白键1a/1b在深区域内行进时，步骤S7处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20从增益和加数表中读出值为0.15的位置增益kx、值为0.4的速度增益kv和给出为(9+2×(rv-100)/100％)的加数u，如步骤S9。
另一方面，如果目标键速度rv等于或小于200毫米每秒，则步骤S6处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20检查目标位置rx，以查看黑/白键1a/1b是否进入深区域，如步骤S10。如果目标键位置rx小于5毫米，则黑/白键1a/1b仍然在浅区域内行进，并且步骤S10处的答案给出为否定“否”。对于否定答案“否”，中央处理单元20从增益和加数表中读出值为0.1的位置增益kx、值为0.2的速度增益kv和值为15％的加数u，如步骤S12。另一方面，当黑/白键1a/1b在深区域内行进时，步骤S10处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20从增益和加数表中读出值为0.1的位置增益kx、值为0.4的速度增益kv和给出为(9+4×rv)/100％)的加数u，如步骤S11。
这样，中央处理单元20根据目标键速度rv和目标键位置rx的组合，在步骤S8至S 12之一确定位置增益kx、速度增益kv和加数u。当完成步骤S8、S9、S11或S12处的任务时，中央处理单元20前进到步骤S13，并将驱动信号ui调整到所述占空比(uxv+u)。
随后，中央处理单元20前进到步骤S14，并检查键编号寄存器，以查看是否已经完成了对最右边的白键1b的伺服控制。中央处理单元20根据步骤S14处的答案，返回步骤S2或用于自动演奏的子例程。
假设预数据处理器10已经将键运动分类为全行程。标志rr已经被减小为0，并且步骤S4处的答案给出为否定。然后，中央处理单元20进入图7示出的用于标准手指弹奏的子例程。
中央处理单元20检查目标速度rv，以查看将以高速还是低速移动黑/白键1a/1b，如步骤S15。
当目标键速度rv大于100毫米每秒时，步骤S15处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20检查目标键位置rx，以查看黑/白键1a/1b是否进入深区域，如步骤S16。如果目标键位置rx小于4毫米，则黑/白键1a/1b仍然在浅区域内行进，并且步骤S16处的答案给出为否定“否”。对于否定答案“否”，中央处理单元20从增益和加数表中读出值为0.6的位置增益kx、值为0.3的速度增益kv和给出为(9+2×(rv-100)/100％)的加数u，如步骤S17。
另一方面，当黑/白键1a/1b在深区域内行进时，步骤S16处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20从增益和加数表中读出值为0.2的位置增益kx、值为0.3的速度增益kv和给出为(9+2×(rv-100)/100％)的加数u，如步骤S18。
另一方面，如果目标键速度rv等于或小于100毫米每秒，则步骤S15处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20检查目标位置rx，以查看黑/白键1a/1b是否进入深区域，如步骤S19。如果目标键位置rx小于4毫米，则黑/白键1a/1b仍然在浅区域内行进，并且步骤S19处的答案给出为否定“否”。对于否定答案“否”，中央处理单元20从增益和加数表中读出值为0.2的位置增益kx、值为0.3的速度增益kv和值为9％的加数u，如步骤S21。另一方面，当黑/白键1a/1b在深区域内行进时，步骤S19处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20从增益和加数表中读出值为0.2的位置增益kx、值为0.3的速度增益kv和给出为9％的加数u，如步骤S20。
当完成步骤S17、S18、S20或S21处的任务时，中央处理单元20将目标占空比(uxv+u)提供给脉冲宽度调制器25，并命令脉冲宽度调制器25保持或改变驱动信号的占空比，如步骤S22。当完成步骤S22处的任务时，中央处理单元20前进到步骤S14。
如将从前面的描述认识到的那样，根据本发明的运动控制器11根据键运动的种类而不同地确定增益kv和kx以及加数u。因此，伺服控制环304防止黑键和白键1a/1b进行意外的动作，并且以高保真度再现键运动。这导致了接近于原演奏的重放。
尽管示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员来说将清楚的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变和修改。
光变换器不对本发明的技术范围设置任何限制。例如，可以将另一种位置传感器合并在自动演奏器中，该位置传感器可由电位计来实现。可以用作为键传感器7和/或弦槌传感器8的永久磁铁和霍尔元件的组合来代替光变换器。或者，可以在附加到黑键和白键1a/1b以及弦槌3的半导体芯片上形成半导体加速度传感器。该半导体加速度传感器可以用由梁(beam)支撑的重块(weight piece)来实现，其中电阻被形成为惠斯通电桥的一部分。这样，键传感器和弦槌传感器可以直接将键速度/弦槌速度或加速度转换为电信号。
在采用速度传感器的情况中，通过对一系列实际键速度值的积分来确定实际键位置。类似地，在采用加速度传感器的情况中，通过对一系列实际键加速度值的积分来确定实际键速度，并且通过对一系列实际键速度值的积分来确定实际键位置。
脉冲宽度调制器不对本发明的技术范围设置任何限制。可以通过变压器直接控制驱动信号ui的电势电平。
图4和5示出的增益表和加数表不对本发明的技术范围设置任何限制。图4和5示出的增益和加数表适合于某种类型的自动演奏器钢琴。这意味着另一类型的自动演奏器钢琴需要用于不同种类的手指弹奏的另一增益表和另一加数表。当然，在键行程不同于10毫米的情况中，制造商进行对不同键盘的实验。此外，可以用单独的等式表示位置增益kx、速度增益kv和加数u，使得中央处理单元通过使用这些等式来计算它们。
可以将实际键位置yx和实际键速度yv提供给方框33。在此实例中，中央处理单元20不考虑目标速度rv和目标位置rx，并且根据实际键位置yx、实际键速度yv和标志信息rr的组合而读出位置增益kx、速度增益kv和加数u。
用于对键运动进行分类的方法不对本发明的技术范围设置任何限制。中央处理单元20将代表实际键轨迹的实际键位置值积存在工作存储器22中，并分析键的实际键轨迹，以便对键运动进行分类。
半行程并不唯一地对应所述重复。钢琴家可以在一段时间内将被释放的键保持在浅区域中向上路线上的某个点处。由于基准键轨迹不与先前的基准键轨迹相交，因此键运动被分类为标准手指弹奏。然而，键运动显示出半行程的独特性。出于此原因，将作为半行程再现键运动。这样，只要通过逆转而继续键运动，键运动就被分类为半行程，而不考虑基准键轨迹之间的时间间隔。从这个观点来看，如果被释放的黑/白键1a/1b在从离开终点位置起测量的某个时间周期内被按下，则键运动将被分类为半行程，并且标志rr将被增大。所述某个时间周期可以是100毫秒。中央处理单元20在从键传感器7报告的实际键位置的基础上确定到达终点位置，并启动计时器。如果逆转发生在所述某个时间周期内，则中央处理单元20增大标志rr。所述某个时间周期也随钢琴型号一起变化。
可以将键加速度纳入伺服控制中。在此实例中，将加速度增益存储在增益表中，并将目标加速度和实际加速度之间的偏差乘以加速度增益。在将加速度与位置和速度一起考虑的情况中，在目标键速度rv和实际键速度yv的基础上，通过微分来确定目标键加速度和实际键加速度，并且在第三减法器处计算它们之间的偏差。将加速度偏差乘以加速度增益，并乘将积加到其它乘积上。还将加数加到乘积的和上，并确定目标占空比。
可以利用逻辑电路来实现伺服控制环304。可以将合适的数字信号处理器合并在自动演奏器中，以便进行信号处理。
大钢琴100不对本发明的技术范围设置任何限制。可以用直立式钢琴代替大钢琴。根据本发明的自动演奏器300可安装在诸如例如大键琴、风琴或静音钢琴的另一种键盘乐器中。此外，可以将根据本发明的自动演奏器安装在诸如例如钢片琴的另一种乐器中。
上述实施例的组成部件与权利要求语言相关如下。黑键和白键1a/1b对应“多个操纵器”，并且动作单元2、弦槌3和弦4作为整体组成“音调生成器”。键传感器7和电磁控制的键致动器6分别对应“多个传感器”和“多个致动器”。键位置信号yxa/yxd/yx和驱动信号ui充当“检测信号”和“驱动信号”，并且“物理量”代表键位置，即键行程，和键速度。加数u对应“基本分量”，而位置增益kx和速度增益kv的和充当“环路增益分量”。全行程和半行程分别对应“第一种运动”和“第二种运动”。
圆圈31/32处的减法相当于目标值和实际值之间的“比较”。平均电流或占空比相当于“量值”。
权利要求
1.一种用于产生音调的自动演奏器乐器，包括原声乐器(100)，包含多个操纵器(1a、1b)，被有选择地移动，以指定所述音调的音高，和音调生成器(2、3、4)，连接到所述多个操纵器(1a、1b)，并响应所述多个操纵器(1a、1b)的运动，以便以指定的音高产生所述音调；以及自动演奏器(300)，包含多个传感器(7)，用于产生代表物理量的检测信号(yxa)，所述物理量表示所述运动，多个致动器(6)，被驱动信号(ui)有选择地激励，以便引起所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动，和控制器(302)，连接到所述多个传感器(7)和所述多个致动器(6)，用于形成伺服控制环(304)，并利用所述驱动信号(ui)强迫所述多个操纵器(1a、1b)在基准轨迹(rf)上行进，所述驱动信号(ui)的量值包含代表所述伺服控制环(304)的响应特性的环路增益分量(uxv)、和代表要施加在所述多个操纵器(1a、1b)上的恒定负载的基本分量(u)，其特征在于所述控制器(302)将所述运动分类为第一种运动或第二种运动，其中，在所述第一种运动中，所述多个操纵器(1a、1b)通过比临界时间周期长的逆转来改变运动方向，在所述第二种运动中，所述多个操纵器(1a、1b)通过等于或短于所述临界时间周期的所述逆转来改变运动方向，并且在于在所述第二种运动中，所述控制器增大所述逆转附近的所述基本分量(u)，以便保持所述运动稳定。
2.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中，在所述第二种运动中，所述控制器(302)减小所述逆转附近的所述环路增益分量(uxv)。
3.如权利要求2所述的自动演奏器乐器，其中，所述控制器(302)检查每个操纵器(1a、1b)的速度，以查看所述每个操纵器(1a、1b)是以高速还是低速行进，其中，当所述每个操纵器(1a、1b)以低速行进时，所述控制器(302)增大所述基本分量(u)，并减小所述环路增益分量(uxv)。
4.如权利要求3所述的自动演奏器乐器，其中，所述低速和所述高速之间的标准是200毫米每秒。
5.如权利要求2所述的自动演奏器乐器，其中，当所述多个操纵器(1a、1b)在与所述逆转隔开的区域内行进时，所述控制器(302)增大所述环路增益分量(uxv)，而不增大所述基本分量(u)。
6.如权利要求5所述的自动演奏器乐器，其中，所述区域和所述逆转附近的另一区域之间的边界被发现位于所述基准轨迹的中点。
7.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中，全行程和半行程被分别分类为所述第一种运动和所述第二种运动。
8.如权利要求7所述的自动演奏器乐器，其中，在所述半行程中，所述逆转发生在前往静止位置途中的某个点处。
9.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中，所述临界时间周期为100毫秒的数量级。
10.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中，所述原声乐器是钢琴(100)，使得黑键和白键(1a、1b)以及动作单元(2)、弦槌(3)和弦(4)的组合分别充当所述多个操纵器和所述音调生成器。
11.如权利要求10所述的自动演奏器乐器，其中，利用所述多个致动器(6)之一移动所述黑键和白键(1a、1b)的每一个，并利用所述多个传感器(7)之一对其进行监控。
12.一种用于具有多个操纵器(1a、1b)和音调生成器(2、3、4)的乐器的自动演奏器，包括多个传感器(7)，用于产生代表物理量的检测信号(yxa)，所述物理量表示所述多个操纵器(1a、1b)的运动，多个致动器(6)，被驱动信号(ui)有选择地激励，以便引起所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动，以及控制器(302)，连接到所述多个传感器(7)和所述多个致动器(6)，用于形成伺服控制环(304)，并利用所述驱动信号(ui)强迫所述多个操纵器(1a、1b)在基准轨迹(rf)上行进，所述驱动信号(ui)的量值包含代表所述伺服控制环的响应特性的环路增益分量(uxv)、和代表要施加在所述多个操纵器(1a、1b)上的恒定负载的基本分量(u)，其特征在于所述控制器(302)将所述运动分类为第一种运动或第二种运动，其中，在所述第一种运动中，所述多个操纵器(1a、1b)通过比临界时间周期长的逆转来改变运动方向，在所述第二种运动中，所述多个操纵器(1a、1b)通过等于或短于所述临界时间周期的所述逆转来改变运动方向，并且在于在所述第二种运动中，所述控制器增大所述逆转附近的所述基本分量(u)，以便保持所述运动稳定。
13.如权利要求12所述的自动演奏器，其中，在所述第二种运动中，所述控制器(302)减小所述逆转附近的所述环路增益分量(uxv)。
14.如权利要求13所述的自动演奏器，其中，所述控制器(302)检查每个操纵器(1a、1b)的速度，以查看所述每个操纵器(1a、1b)是以高速还是低速行进，其中，当所述每个操纵器(1a、1b)以低速行进时，所述控制器(302)增大所述基本分量(u)，并减小所述环路增益分量(uxv)。
15.如权利要求14所述的自动演奏器，其中，所述低速和所述高速之间的标准是200毫米每秒。
16.如权利要求13所述的自动演奏器，其中，当所述多个操纵器(1a、1b)在与所述逆转隔开的区域内行进时，所述控制器(302)增大所述环路增益分量(uxv)，而不增大所述基本分量(u)。
17.如权利要求16所述的自动演奏器，其中，所述区域和所述逆转附近的另一区域之间的边界被发现位于所述基准轨迹(rf)的中点。
18.如权利要求12所述的自动演奏器，其中，全行程和半行程被分别分类为所述第一种运动和所述第二种运动。
19.一种用于通过伺服控制环(304)控制乐器的操纵器(1a、1b)的方法，包括以下步骤a)将基准轨迹(rf)上的物理量的目标值(rx、rv)与实际轨迹上的所述物理量的实际值(yx、yv)相比较，使得通过该比较来确定所述实际轨迹与所述基准轨迹的偏差，其中，所述基准轨迹(rf)代表要实现的操纵器(1a、1b)的运动，而所述操纵器(1a、1b)沿所述实际轨迹行进，b)当所述操纵器(1a、1b)的所述运动被分类为所述操纵器(1a、1b)通过比临界时间周期长的逆转改变所述运动的方向的第一种运动时，将驱动信号(ui)调整到包含第一分量(uxv)和具有比较小的值的第二分量(u)的量值，其中，所述第一分量(uxv)是在所述环路增益(kx、kv)基础上确定的，所述环路增益(kx、kv)代表用于减小所述偏差的所述伺服控制环(304)的响应特性，c)当所述操纵器(1a、1b)的所述运动被分类为所述操纵器(1a、1b)通过等于或短于所述临界时间周期的所述逆转改变运动方向的第二种运动时，将驱动信号(ui)调整为包含所述第一分量(uxv)和具有比较大的值的所述第二分量(u)的另一量值，而不执行所述步骤c)，d)将所述驱动信号(ui)提供给与所述操纵器(1a、1b)相关、并形成所述伺服控制环(304)一部分的致动器(6)，使得在所述实际轨迹上进一步移动所述操纵器(1a、1b)，以及e)重复所述步骤a)至d)，直到所述操纵器(1a、1b)到达所述基准轨迹(rf)的终点为止。
20.如权利要求19所述的方法，其中，在所述步骤c)中，所述第一分量(uxv)具有比较小的值。
全文摘要
一种自动演奏器钢琴，包括形成伺服控制环(304)的键传感器(7)、电磁控制的键致动器(6)和控制器(302)，并且在伺服控制环(304)的控制下再现键运动；伺服控制环(304)将驱动脉冲信号(ui)调整到目标占空比或平均电流，以便强迫黑键和白键(1a、1b)在基准键轨迹(rf)上行进；控制器(302)将键运动分类为半行程或全行程，并在目标键位置(rx)和实际键位置(yx)之间的偏差、目标键速度(rv)和实际键速度(yv)之间的偏差以及键运动种类的基础上确定目标占空比，以便使键运动稳定。
文档编号G10H1/00GK1746968SQ20051009105
公开日2006年3月15日 申请日期2005年8月4日 优先权日2004年9月7日
发明者佐佐木智也 申请人:雅马哈株式会社