CN1750110A - 自动演奏器乐器、合并在其中的自动演奏器及使用的方法 - Google Patents

Abstract

一种自动演奏钢琴，是在原声钢琴(100)的基础上制造的，并且期望自动演奏器(300)利用电磁控制的键致动器(6)引起用于重演演奏的键运动；由于原声钢琴(100)的弦槌(3)质量不同，因此在键(1a、1b)之间，键运动的负载也不同；当运动控制器(11)通过伺服控制环(304)强迫键(1a、1b)在基准键轨迹上行进时，运动控制器(11)考虑音高部分，并有选择地访问控制参数表，以便读出单独的键(1a、1b)的近似控制参数(kx、kv、u)，由此弦槌(3)在撞击弦(4)之前无误地达到目标最终弦槌速度。

Description

自动演奏器乐器、合并在其中的自动 演奏器及使用的方法

技术领域

本发明涉及一种自动演奏技术，特别涉及一种自动演奏器乐器(automaticplayer musical instrument)、合并在其中的自动演奏器以及其中使用的方法。

背景技术

自动演奏器钢琴是自动演奏器乐器的典型示例。自动演奏器钢琴是由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。键运动通过动作单元引起弦槌(hammer)的旋转，并且，弦槌在旋转的终点与弦碰撞。然后，弦开始振动，并且该振动引发钢琴音调。

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些点处的键速度成比例。出于此原因，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，将所述某些点称为“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)的键致动器分别被提供在黑键和白键后部的下方，并且数据处理单元利用有选择地提供给电磁控制的键致动器的驱动信号控制活塞。活塞运动引起键运动，并且活塞行程与驱动信号的平均电流成比例。换句话说，有可能利用驱动信号来控制键速度。出于此原因，自动演奏器利用驱动信号将音调调整到响度的目标值。

电磁控制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。键速度随着驱动信号的平均电流而变化，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。只要黑键和白键在基准键轨迹上行进，数据处理单元就将驱动信号保持在平均电流的目标值。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平均电流的目标值，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，黑键和白键被置于伺服控制环的控制之下。

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伺服控制技术。日本专利公开第2737669号基于日本专利申请第Hei 6-272282号，其对美国序列号第08/352543号提供了公约优先权。该美国专利申请已被授权，并且美国专利第5530198号被分配给该美国专利。

在日本专利公开第2923541号和第2737669号中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，将常数和增益从外部任意地赋给由数据处理单元实现的放大器和加法器，并且期望该常数和增益从现有技术自动演奏器钢琴中消除产品的个体性。

尽管现有技术自动演奏器钢琴以音高的目标值准确地再现了乐曲节(passage)上的音调，但是听众有时候觉得音调的响度与所期望的不同。因而，现有技术自动演奏器钢琴中国有的问题是低保真度。

发明内容

因此，本发明的一个重要目的是提供一种自动演奏器乐器，其在重放中以目标响度产生音调。

本发明的另一重要目的是提供一种自动演奏器，其适合于该自动演奏器乐器。

本发明的另一重要目的是提供一种用于控制合并在自动演奏器乐器中的操纵器的方法。

本发明人考虑了现有技术自动演奏器钢琴中固有的问题，并且注意到在黑键和白键中，克服键运动的负载不同。具体地说，弦槌根据音高(pitched)部分而不同地加以重量。较低音高部分的弦槌最重，而较高音高部分的弦槌最轻。如果电磁控制的键致动器将某个力施加到较低音高部分中的黑键和白键上，则该动作单元推动弦槌，并通过顶杆(jack)的脱离引起小加速度的自由旋转。然而，当电磁控制的键致动器将所述某个力施加到较高音高部分中的黑键和白键上时，动作单元也推动弦槌，并通过所述脱离引起大加速度的自由旋转。加速度的差异导致了最终弦槌速度的差异，并因此导致响度的差异。本发明人得出结论：即使将以相同的响度产生音调，平均电流也将根据克服黑键和白键的负载而逐渐变化。

为了达到所述目的，本发明提出：当控制器确定驱动信号的量值(magnitude)时，考虑弦槌的质量。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于重演由一组乐曲数据代表的演奏的自动演奏器乐器，包括：乐器，其包括被有选择地驱动以指定要产生的音调并具有不同质量值的多个链接构件、和由链接构件激励以便产生音调的音调生成器；以及自动演奏器，包括：多个致动器，分别与所述多个链接构件相关联，并响应驱动信号，以便有选择地将力施加到所述多个链接构件上，从而驱动相关联的链接构件在各自的基准轨迹上行进，而没有人类演奏者的手指弹奏，其中所述基准键轨迹是在乐曲数据的基础上确定的；多个传感器，产生代表表示所述多个链接构件的运动的实际物理量的检测信号；以及控制器，连接到所述多个致动器和所述多个传感器，以产生伺服控制环，在由实际物理量表示的运动和基准轨迹上当前期望的运动之间的差异、以及随着所述质量和运动一起变化的控制参数的基础上，确定驱动信号量值的值，并将驱动信号调整到该量值的值。

根据本发明的另一方面，提供一种用于乐器的自动演奏器，该乐器包括被有选择地驱动以指定要产生的音调并具有不同质量值的多个链接构件、以及由链接构件激励以便产生音调的音调生成器，该自动演奏器包括：多个致动器，分别与所述多个链接构件相关联，并响应驱动信号，以便有选择地将力施加在所述多个链接构件上，从而驱动相关联的链接构件在各自的基准轨迹上行进，而没有人类演奏者的手指弹奏，其中，在乐曲数据的基础上确定所述基准轨迹；多个传感器，产生代表表示所述多个链接构件的运动的实际物理量的检测信号；以及控制器，连接到所述多个致动器和所述多个传感器，以产生伺服控制环，在由实际物理量表示的运动和基准轨迹上当前期望的运动之间的差异以及随着所述质量和运动一起变化的控制参数的基础上，确定驱动信号量值的值，并将驱动信号调整为该量值的值。

根据本发明的另一方面，提供一种用于通过乐器重演由一组乐曲数据代表的演奏的方法，包括以下步骤：a)确定基准轨迹，合并在乐器中的链接构件将在该基准轨迹上行进，以便使音调生成器在合并于所述组中的乐曲数据的基础上产生音调，b)获取代表表示链接构件的运动的实际物理量的检测数据，c)将由实际物理量表示的运动和基准轨迹上当前期望的运动相比较，以查看它们之间是否出现差异，d)当步骤c)处的答案给出为肯定时，确定随着所述运动和链接构件的质量一起变化的控制参数，e)在所述差异和控制参数的基础上确定驱动信号的量值的新值，f)将驱动信号提供给与链接构件相关联的致动器，使得该致动器将对应于所述量值的新值的力施加到链接构件，从而强迫链接构件在基准轨迹上行进，g)当步骤c)处的答案给出为否定时，将驱动信号保持在所述量值的当前值，使得链接构件连续地在基准轨迹上行进，以及h)重复步骤a)至g)，直到链接构件到达基准轨迹的终点。

附图说明

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及优点，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数据处理单元的系统配置的方框图，

图3是示出合并在自动演奏器钢琴中的伺服控制环的方框图，

图4A至4E是示出控制参数表内容的视图，

图5是示出用于确定控制参数的任务序列的流程图，

图6是示出在从27到68的键编号的序列中完成的任务的流程图，以及

图7是示出在从69到88的键编号的序列中完成的任务的流程图。

具体实施方式

实施本发明的自动演奏器乐器主要包括乐器和自动演奏器。人类演奏者可以在该乐器上演奏一首乐曲，并且自动演奏器也在该乐器上演奏由一组乐曲数据表示的这首乐曲。

该乐器包括多个链接构件(link work)和音调生成器。链接构件具有单独的质量值，使得人类演奏者和自动演奏器在演奏期间逆着质量而有选择地驱动所述多个链接构件。这样，所述多个链接构件充当人类演奏者的手指和自动演奏器的负载。因而，链接构件有选择地驱动激励音调生成器，并且音调生成器产生通过该链接构件指定的音调。

在原声钢琴充当所述乐器的情况中，黑键和白键、动作单元、弦槌和制音器形成所述多个链接构件，而弦充当音调生成器。由于弦槌被从相关弦产生的音调的音高分级，因此链接构件的质量也不同，并且期望人类演奏者和自动演奏器细微地改变施加在黑键和白键上的力。

自动演奏器包括多个致动器、多个传感器和控制器。所述多个致动器被分别提供给所述多个链接构件，并响应于驱动信号、克服负载而引起相关链接构件的运动。另一方面，所述多个传感器分别监控所述多个链接构件，并产生表示相关链接构件的运动的检测信号。所述多个致动器和多个传感器连接到控制器，使得控制器、多个致动器和多个传感器组合形成用于所述多个操纵器的伺服控制环。

当用户希望产生一首乐曲时，他或她命令自动演奏器演奏这首乐曲。然后，表示这首乐曲的一组乐曲数据被提供给控制器。控制器顺次分析该乐曲数据，并确定要移动的链接构件的基准轨迹。伺服控制环强迫链接构件在单独的基准轨迹上行进，以便以响度目标值产生音调。

当产生音调的定时到来时，控制器开始伺服控制。伺服控制环按照下面所述来实现链接构件沿基准轨迹的行进。控制器在乐曲数据的基础上确定链接构件的目标运动，并分析检测信号，以便确定该链接构件的实际运动。控制器比较实际运动和目标运动，以查看目标运动和实际运动之间是否出现差异。

假设出现了差异。控制器在该链接构件的运动和该链接构件的质量的基础上确定控制参数。术语“运动”是指目标运动或实际运动。当确定了控制参数时，控制器还在控制参数以及实际运动和目标运动之间差异的基础上确定要提供给相关致动器的驱动信号的量值。

控制器将驱动信号调整到量值的值，并将驱动信号提供给与该链接构件相关的致动器。由于致动器将等于驱动信号量值的力施加在该链接构件上，因此使该链接构件加速或减速。换句话说，从目标运动和实际运动之间消除了所述差异。

控制器通过伺服控制环重复上述控制序列，以便强迫链接构件在基准轨迹上行进。如此在基准轨迹上行进的链接构件适当地激励基准轨迹终点处的音调生成器，使得音调生成器产生由所述乐曲数据表示的音调。

如将认识到的那样，尽管链接构件具有不同的质量值，但是控制器将驱动信号调整到量值的适当值，并优化施加在链接构件上的力。如果要驱动的链接构件比已被驱动的另一链接构件重，则控制器将驱动信号调整到比已被提供给致动器的驱动信号的量值更大的量值。这样，控制器将驱动信号调节到合适的值，好像所有链接构件质量彼此相等一样。这导致了高保真度的演奏。

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

参考附图的图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。换句话说，记录系统500被激活。当演奏者在原声钢琴100上用手指弹奏乐曲的节时，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，并且这组乐曲数据代码被存储在形成电气系统一部分或远离自动演奏器钢琴的合适的存储器中。这样，该演奏被存储为这组乐曲数据代码。

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。

顶杆2a和调节按钮2b合并在每个动作单元2中。当动作单元2停留在静止位置时，顶杆2a与调节按钮2b隔开，并且弦槌3静止在顶杆2a的头上，如所示出的那样。假设钢琴家开始通过键盘1将力施加到动作单元2上。动作单元2绕联动器轴架(whippen flange)旋转，并向上推动弦槌。顶杆2a的尖端变得越来越近。当该尖端与调节按钮2b接触时，顶杆2a脱离弦槌3，并且顶杆2a的头撞到弦槌3。然后，弦槌2开始自由旋转。弦槌3大小不同，并因此而重量不同。最低音高部分的弦槌3最重，而最高音高部分的弦槌3最轻。这样，键盘1、动作单元2、制音器5、弦槌3和弦4在结构上类似于用于产生钢琴音调的标准原声钢琴的那些部件，并且表现得与那些部件相似。

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，键编号Kni被分别分配给这88个黑键和白键1a/1b，其中，i从1变化到88。黑键1a和白键1b以众所周知的模式放置，并通过平衡键销(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。后部的线所指示的键位置是“静止位置”，并且静止位置处的键行程为0。

当钢琴家按下黑/白键1a/1b时，前部克服动作单元/弦槌2/3的自重而下降。该前部最终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毫米长。

假设用户按下黑键和白键1a/1b的前部。该前部向键架前板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向上推动相关的弦槌3，并通过脱离来驱使该相关的弦槌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沿相反方向的旋转，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该钢琴音调的定时。要再现的钢琴音调由键编号Kni表示，其中，i的范围是从1到88。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的基准键轨迹，并将代表该基准键轨迹的控制数据信号rf提供给运动控制器11。被按下的键1a/1b的基准键轨迹通常与被释放的键1a/1b的基准键轨迹不同。出于此原因，利用代表键运动方向的区别数据(discriminative data)来标记基准轨迹数据。

基准键轨迹是随时间变化的一系列的键位置的目标值。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准确地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。

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)事件和音符关(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13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，并且顶杆2a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，在日本专利第2923541号中公开了键传感器7的结构。

光量代表实际键位置，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。若干数据表被用于确定平均电流的目标值，并被称为“控制参数表”，其将在下文中进行详细描述。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300/500两者提供大量数据保存容量。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通过脉冲宽度调制器25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。由于在存在驱动信号ui的情况下产生磁场，因此有可能利用驱动信号ui来控制施加在活塞9a上并因此施加在黑/白键1a/1b上的力。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。

                             伺服控制环

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。运动控制器11与脉冲宽度调制器25、电磁控制的键致动器6、键传感器7和接口24一起形成伺服控制环304。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ex，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ev。

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。模拟-数字转换器A/D的功能对本领域技术人员来说是众所周知的，并且为简单起见，在下文中不合并对方框24的进一步描述。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一次，并且该数据取出以1毫秒的间隔重复进行。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。将代表基准轨迹的控制数据从预数据处理器10提供给方框30，并且在方框30中确定目标键位置rx和目标键速度rv。通过对一系列目标键位置rx的值的微分来计算目标键速度rv。有可能在一系列目标键速度值的基础上通过积分来确定目标键位置。因而，目标键位置和目标键速度是可通过微分和积分转换的物理量。

方框33代表增益kx/kv和加数u的计算器。将代表键编号Kni的键数据和代表键行程方向的区别数据从预数据处理器10提供给计算器33，并且还将目标键位置rx和目标键速度rv从方框30提供给计算器33。如将在下文中详细了解的那样，计算器33在输入数据的基础上确定位置增益kx的值、速度增益kv的值和加数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，针对键/弦槌1a/1b/3，利用加数u来优化该响应特性。简而言之，计算器33考虑键运动以及要通过黑键和白键1a/1b驱动的弦槌3的负载或质量，并确定控制参数kx、kv和u。

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35将速度偏差ev乘以速度增益kv。乘积ux和uv分别代表归于位置因子的平均电流的百分比和归于速度因子的平均电流的另一百分比。这样，方框34和35将以毫米为单位的行程差和以毫米每秒为单位的速度差转换为归于位置因子的百分比和归于速度因子的另一百分比。

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。将总和(ux+uv+u)作为控制数据从加法器37提供给脉冲宽度调制器25，并且脉冲宽度调制器25将驱动信号ui的占空比调整为该总和(ux+uv+u)。这样，运动控制器11不仅根据位置偏差ex和速度偏差ev、还根据键编号Kni和键运动的方向来优化伺服控制环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。

                       控制参数表

图4A至4E示出了在伺服控制环304中使用的控制参数表。当黑键和白键1a/1b向终点位置行进时，中央处理单元20有选择地访问图4A至4C示出的控制参数表。另一方面，中央处理单元20在向静止位置的反向运动期间访问图4D示出的控制参数表，并在行进的终点附近访问图4E示出的控制参数表。制造商通过实验确定了目标键位置rx的范围、目标键速度rv的范围、位置增益kx的值、速度增益kv的值以及加数u的值，并将实验结果列入表中，如图4A至4E所示。

在从静止位置向终点位置行进期间，根据分配给被按下的键1a/1b的键编号Kni而有选择地访问图4A至4C示出的控制参数表。图4A示出的控制参数表被分配给具有从1到26的键编号Kni的黑键和白键1a/1b，所述黑键和白键1a/1b表示较低音高部分，而图4B示出的控制参数表被分配给具有从27到68的键编号的黑键和白键1a/1b，所述黑键和白键1a/1b表示中等音高部分。如果被按下的键1a/1b的键编号Kni落在从69到88的范围或更高音高部分内，则中央处理单元20访问图4C示出的控制参数表。

位置增益kx、速度增益kv和加数u根据目标键位置rx和目标键速度rv的组合而变化。静止位置和终点位置之间的键行程被划分为：浅区域，即从0到4毫米的键行程；以及深区域，即从4毫米到10毫米的键行程，并且低速和高速之间的阈值是200毫米每秒。

如将理解的那样，标准是键编号Kni、目标键位置rx和目标键速度rv。尽管对于现有技术伺服控制环的控制参数考虑了目标键位置rx和目标键速度rv，但是忽略了代表弦槌对键运动的负载的键编号Kni。本发明人注意到了伺服控制中实际上的弦槌负载。出于此原因，位置增益kx、速度增益kv和加速u根据不仅目标键位置rx和目标键速度rv还有键编号Kni的组合而变化。这使得在重放时，自动演奏器300可以以高保真度再现原始的键运动。

现在假设乐曲数据代码代表较低音高部分中的黑键或白键1a/1b的音符开事件，预数据处理器10向运动控制器11提供基准键轨迹、指示要按下的黑键或白键1a/1b的键编号Kni、以及代表前向键运动，即朝向终点位置的键运动的区别数据。

运动控制器11周期性地确定目标键位置rx和目标键速度rv，并访问图4A示出的控制参数表，以便从该控制参数表中读出位置增益kx、速度增益kv和加数u。如图4A所示，浅区域和深区域之间的边界B根据键编号Kni而浮动。该边界表示为

B＝6-0.04(KN-1)    .......式1其中，KN是键编号Kni。这样，边界B随着键编号Kni在5毫米和6毫米之间线性变化。例如，当要按下键编号为“1”的最左边的白键时，边界B是6毫米，并且键行程被分为从0到6毫米的浅区域和从6毫米到10毫米的深区域。另一方面，如果键编号“26”被分配给要按下的键，则边界B在键行程上的5毫米处，并且键行程被分为从0到5毫米的浅区域和从5毫米到10毫米的深区域。

当确定了边界B时，中央处理单元20检查目标键速度rv，以查看黑键或白键1a/1b是以高速还是低速行进。如果黑键或白键1a/1b以低速行进，则中央处理单元20从控制参数表中选择第一和第二列。另一方面，如果黑键或白键1a/1b以高速行进，则中央处理单元20从控制参数表中选择第三和第四列。中央处理单元20还比较目标键位置rx和边界B，以查看黑键或白键1a/1b是在浅区域中还是在深区域中行进。

如果黑键或白键1a/1b以低速在浅区域中行进，则中央处理单元20指定第一列，并判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.6、0.3和9％。如果黑键或白键1a/1b以低速在深区域中行进，则中央处理单元20指定第二列，并判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.2、0.3和9％。如果黑键或白键1a/1b以高速在浅区域中行进，则中央处理单元20指定第三列，并判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.6、0.3和[9+2×(rv-100)/100]％。如果黑键或白键1a/1b以高速在深区域中行进，则中央处理单元20指定第四列，并判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.2、0.3和[9+2×(rv-100)/100]％。

假设要按下的黑键或白键1a/1b位于中等音高部分。将从图4B示出的控制参数表中读出位置增益kx、速度增益kv和加数u。图4B示出的控制参数表也具有分别分配给浅区域中的低速键、深区域中的低速键、浅区域中的高速键和深区域中的高速键的4列。尽管在较低音高部分的控制参数表中，浅区域和深区域之间的边界B根据键编号Kni而变化，但是在中等音高部分的控制参数表中，该边界固定为4毫米。所述4类中的位置增益kx、速度增益kv和加数u等于较低音高部分的控制参数表中的位置增益kx、速度增益kv和加数u。

假设期望自动演奏器300引起较高音高部分中的黑键或白键1a/1b的前向键运动。与中等音高部分的控制参数表中的参数相似，浅区域和深区域之间的边界固定为4毫米，并且200毫米每秒的键速度是高速和低速之间的标准。然而，在浅区域中，位置增益kx是可变的，而与键速度rv无关。位置增益kx表示为

rv＝0.6-(KN-68)/100   ......式2其中，KN是键编号Kni。如果键编号Kni是69，则位置增益kx是0.59。当键编号Kni增大为78时，位置增益kx减小为0.5。然而，当键编号Kni达到最大编号“88”时，位置增益kx被最小化为0.4。这样，与键编号Kni从69到88相反，位置增益kx从0.59减小为0.4。

当乐曲数据代码表示朝向静止位置的反向运动时，位置增益kx、速度增益kv和加数u分别固定为0.2、0.7和9％，而与目标键速度rv、目标键位置rx和键编号Kni无关。因而，增强了伺服控制环304对速度偏差ev的灵敏性(promptness)。

当黑键和白键1a/1b停止在基准键轨迹的终点时，如图4E示出的控制参数表所示给出位置增益kx、速度增益kv和加数u。

                            伺服控制

当自动演奏器300重演演奏时，伺服控制环304操作如下。88个键1a/1b分别被分配给每个帧的时隙，并且对于所有黑键和白键1a/1b，运动控制器11重复以下伺服控制。

假设用户激励自动演奏器300。自动演奏器300首先被初始化，并重复用于与用户通信的主例程。当用户命令自动演奏器300重演演奏时，主例程分支到用于自动演奏的子例程，并且中央处理单元20通过计时器中断顺次执行对每个黑键和白键1a/1b的已编程指令。如下所述，中央处理单元20通过子例程来控制某个键1a/1b。

相关的键传感器7连续地将模拟键位置信号yxa提供给接口24，并且，通过模拟-数字转换器A/D将该模拟键位置信号yxa转换为数字键位置信号yxd。将数字键位置信号yxd从接口24提供给方框38，并且通过方框38中的正规化，从数据键位置信号yxd的离散值中消除个体性。此外，通过正规化将数字键位置信号yxd的离散值转换为代表实际键位置yx的另一离散值，以便使单位与目标键位置rx的单位一致。在此实例中，实际键位置yx和目标键位置rx以毫米表示。

将实际键位置yx提供给方框39和圆圈31。从工作存储器22读出一系列实际键位置yx的值，并在方框39中计算实际键速度yv。在此实例中，通过多项式逼近来确定实际键速度yv。例如，当方框39确定某个实际键位置处的实际键速度yv时，中央处理单元20通过先前的3个采样操作读出存储在工作存储器22中的3个实际键位置yx的值，并通过对所述某个实际键位置的采样操作之后的3个采样操作读出存储在工作存储器22中的3个实际键位置值，并且，将总共7个实际键位置值逼近为二次曲线，并由该二次曲线确定实际键速度yv。实际键位置yx和实际键速度kv被分别提供给圆圈31和32。当黑键和白键1a/1b停留在静止位置时，实际键位置yx等于值为0的键行程，并且实际键速度yv也是0。

开始键运动的时刻到来。预数据处理器10向方框30通知基准键轨迹，并且，在方框30中确定目标键位置rx和目标键速度rv。将目标键位置rx和目标键速度rv以等于采样时间周期即1毫秒的间隔从方框30输出。出于此原因，目标键位置rx和目标键速度rv总是分别与实际位置yx和实际键速度yv成对。

方框30向方框33和圆圈31/32通知目标键位置rx和目标键速度rv。在圆圈31中，从目标键位置rx的值中减去实际键位置yx的值，以便确定位置偏差ex。另一方面，从目标键速度rv的值中减去实际键速度yv的值，以便确定速度偏差ev。将位置偏差ex和速度偏差ev分别从圆圈31/32输出到方框34和35。

另一方面，在键编号Kni、键运动的方向、目标键位置rx和目标键速度rv的基础上确定位置增益kx、速度增益kv和加数u，并将其从方框33输出到方框34/35和圆圈37。将位置偏差ex和速度偏差ev分别乘以位置增益kx和速度增益kv，并在圆圈36中将乘积ux加到乘积uv上，并且在圆圈37中将加数u加到乘积uxv的和上。总和(uxv+u)表示驱动信号ui的平均电流，并被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调整到等于平均电流(uxv+u)的占空比，并将该驱动信号ui提供给电磁控制的键致动器6。驱动信号ui使磁场变强，并且施加到活塞9a上的磁力增大。作为结果，活塞9a进一步伸出，并推动所述某个键1a/1b的后部。伺服控制环304重复上述控制序列，直到自动演奏结束为止。

在方框33中，按照下面所述来确定位置增益kx、速度增益kv和加数u。图5、6和7示出了由方框33完成的任务序列。假设在伺服控制中，代表键编号Kni的控制数据、代表键运动方向的区别数据以及代表目标键位置rx和目标键速度rv的控制数据在某个定时到达方框33。中央处理单元20首先将键编号Kni重置为0，如步骤S1，并增大键编号Kni，如步骤S2。在紧接在步骤S1之后的第一次执行时，键编号Kni指示键编号为“1”的最左边的白键。当中央处理单元20重复由步骤S2至S19组成的循环时，键编号Kni被逐步增大“1”。

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，以查看黑键或白键1a/1b是否已经开始了键运动，如步骤S3。当黑键或白键1a/1b在静止位置闲置时，目标键速度rv为0，并且步骤S3处的答案给出为否定“否”。然后，中央处理单元20访问图4E示出的控制参数表，并将位置增益kx、速度增益kv和加数u分别输出到方框34/35和圆圈37，如步骤S17。中央处理单元20按照上文所述确定驱动信号的平均电流，并执行对黑键或白键1a/1b的伺服控制，如步骤S18。

随后，中央处理单元20比较当前键编号Kni和最大键编号“88”，以查看是否已经对最右边的白键1b执行了伺服控制，如步骤S19。当步骤S19处的答案给出为否定“否”时，中央处理单元20返回步骤S2，并对剩余的键1a/1b重复该伺服控制。当在步骤S18最右边的白键1b受到了伺服控制时，步骤S19处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20返回先前的子例程。

如果黑键或白键1a/1b已经开始在基准键轨迹上行进，则步骤S3处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20检查区别数据，以查看黑键或白键1a/1b是被按下还是被释放，如步骤S4。当区别数据代表前向键运动时，步骤S4处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20前进到步骤S5。

另一方面，当黑键或白键1a/1b被发现处于反向键运动中时，步骤S4处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20访问图4D示出的控制参数表。中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u为0.2、0.7和9％，如步骤S16，并前进到用于伺服控制的步骤S18。

当黑键或白键1a/1b被发现处于通向终点位置的途中时，步骤S4处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20前进到步骤S5。步骤S5处的任务是比较键编号Kni和键编号“69”，以查看黑键或白键1a/1b是否属于中等音高部分或较低音高部分。

当键编号Kni小于69时，黑键或白键1a/1b属于中等音高部分或较低音高部分，并且步骤S5处的答案给出为肯定“是”。对于肯定答案“是”，中央处理单元20比较键编号Kni和键编号“26”，以查看黑键或白键1a/1b是属于较低音高部分还是中等音高部分，如步骤S6。

假设黑键或白键1a/1b属于较低音高部分，则赋给它的键编号Kni等于或小于“26”，并且步骤S6的答案给出为肯定“是”。对于肯定答案“是”，中央处理单元20计算浅区域和深区域之间的边界B，即[6-0.04(KN-1)]，并比较目标键位置rx和边界B，以查看黑键或白键1a/1b是在浅区域还是在深区域中行进，如步骤S7。当黑键或白键1a/1b被发现处于浅区域中时，步骤S7处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20比较目标键速度rv和阈值，即0.2米每秒，以查看黑键或白键1a/1b是以低速还是高速在浅区域中行进，如步骤S8。即使黑键或白键1a/1b被发现处于深区域中，中央处理单元20也比较目标键速度rv和所述阈值，以查看黑键或白键1a/1b是以低速还是以高速在深区域中行进，如步骤S9。这样，键运动被分类为所述4类中的任意一类。

当黑键或白键1a/1b以低速在浅区域中行进时，键运动被分类为第一组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.6、0.3和9％，如步骤S10。

当黑键或白键1a/1b以高速在浅区域中行进时，键运动被分类为第二组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.6、0.3和(9+2×(rv-100)/100)％，如步骤S11。

当黑键或白键1a/1b以低速在深区域中行进时，键运动被分类为第三组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.2、0.3和9％，如步骤S12。

当黑键或白键1a/1b以高速在深区域中行进时，键运动被分类为第四组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.2、0.3和(9+2×(rv-100)/100)％，如步骤S13。

当完成了S10、S11、S12或S13处的任务时，中央处理单元20前进到步骤S18，并优化用于伺服控制的驱动信号ui的平均电流。

假设黑键或白键1a/1b属于中等音高部分。步骤S6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。步骤S14处的任务在图6中更详细地示出。首先，中央处理单元20将目标键位置rx与浅区域和深区域之间的边界，即4毫米相比较，以查看黑键或白键1a/1b是在浅区域还是深区域中行进，如步骤S20。如果黑键或白键1a/1b被发现处于浅区域中，则步骤S20处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20进一步比较目标键速度rv和阈值，即200毫米每秒，以查看黑键或白键1a/1b是以低速还是高速在浅区域中行进，如步骤S21。当黑键或白键1a/1b被发现处于深区域中时，步骤S21处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20进一步比较目标键速度rv和所述阈值，以查看黑键或白键1a/1b是以低速还是高速在深区域中行进，如步骤S22。

根据步骤S20/S21或S20/S22处的答案，键运动按照下面所述被分类为所述4组之一。

当黑键或白键1a/1b以低速在浅区域中行进时，键运动被分类为第一组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.6、0.3和9％，如步骤S23。

当黑键或白键1a/1b以高速在浅区域中行进时，键运动被分类为第二组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.6、0.3和(9+2×(rv-100)/100)％，如步骤S24。

当黑键或白键1a/1b以低速在深区域中行进时，键运动被分类为第三组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.2、0.3和9％，如步骤S25。

当黑键或白键1a/1b以高速在深区域中行进时，键运动被分类为第四组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.2、0.3和(9+2×(rv-100)/100)％，如步骤S26。

当完成S23、S24、S25或S26处的任务时，中央处理单元20前进到步骤S18，并优化用于伺服控制的驱动信号ui的平均电流。

当黑键或白键1a/1b属于较高音高部分时，步骤S5处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20前进到步骤S15。步骤S15处的任务在图7中更详细地示出。

首先，中央处理单元20将目标键位置rx与浅区域和深区域之间的边界，即4毫米相比较，以查看黑键或白键1a/1b是在浅区域还是深区域中行进，如步骤S27。如果黑键或白键1a/1b被发现处于浅区域中，则步骤S27处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元20进一步比较目标键速度rv和阈值，即200毫米每秒，以查看黑键或白键1a/1b是以低速还是高速在浅区域中行进，如步骤S28。当黑键或白键1a/1b被发现处于深区域中时，步骤S27处的答案给出为否定“否”，并且中央处理单元20进一步比较目标键速度rv和所述阈值，以查看黑键或白键1a/1b是以低速还是高速在深区域中行进，如步骤S29。

根据步骤S27/S281或S270/S292处的答案，键运动按照下面所述被分类为所述4组之一。

当黑键或白键1a/1b以低速在浅区域中行进时，键运动被分类为第一组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为(0.6-(KN-68)/100)、0.3和9％，如步骤S30。

当黑键或白键1a/1b以高速在浅区域中行进时，键运动被分类为第二组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为(0.6-(KN-68)/100)、0.3和(9+2×(rv-100)/100)％，如步骤S31。

当黑键或白键1a/1b以低速在深区域中行进时，键运动被分类为第三组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.2、0.3和9％，如步骤S32。

当黑键或白键1a/1b以高速在深区域中行进时，键运动被分类为第四组，并且中央处理单元20判定位置增益kx、速度增益kv和加数u分别为0.2、0.3和(9+2×(rv-100)/100)％，如步骤S33。

当完成S30、S31、S32或S33处的任务时，中央处理单元20前进到步骤S18，并优化用于伺服控制的驱动信号ui的平均电流。

如将从以上描述理解的那样，控制参数kx、kv和u根据音高部分而不同，并针对键运动的负载，即弦槌3的质量而进行优化。即使黑键和白键1a/1b属于较低音高部分，浅区域和深区域之间的边界B也根据键编号Kni并因此根据键运动的负载而在6毫米和5毫米之间变化。

所述负载越大，浅区域越长。浅区域中的位置增益kx大于深区域中的位置增益kx，即0.6＞0.2，使得运动控制器11强烈地试图将被分配了小键编号Kni的黑键或白键1a/1b的位置偏差ex最小化。当期望电磁控制的键致动器6驱动较低音高部分中最左边的键1b时，该最左边的键1b的浅区域为6毫米长，并且运动控制器11保持位置增益kx较大，即0.6。然而，当期望电磁控制器的键致动器6驱动较低音高部分中最右边的键时，浅区域被缩短为5毫米长，并且在5毫米到6毫米的键行程之间，运动控制器11将位置增益kx减小为0.2。换句话说，只要在最右边键和最左边键之间的位置偏差ex和速度偏差ev相等，用于最右边键的5毫米到6毫米之间的平均电流值就小于用于最左边键的平均电流。由最左边键驱动的弦槌3比由最右边键驱动的弦槌3重。尽管最左边键上的负载比最右边键上的负载重，但是在最左边键的长浅区域中，运动控制器11保持强迫功率(compelling power)较大，使得最左边键容易地使重弦槌达到最终弦槌速度的目标值。这使得自动演奏器300以高保真度重演演奏。

在较高音高部分，在浅区域中，位置增益kx本身根据键编号Kni而变化，如将从步骤S30和S31理解的那样。详细地说，浅区域中的位置增益kx给出为(0.6-(KN-68)/100)。当键位于较高音高部分的最左边时，KN为68，使得位置增益kx为0.6。另一方面，较高音高部分的最右边的键被分配了键编号“88”，使得位置增益kx减小为0.58。键编号Kni越大，位置增益kx就越小。换句话说，对于被分配了大键编号Kni的黑键或白键，运动控制器11使对位置偏差ex的灵敏性较为迟钝，从而使对速度偏差ev的灵敏性相对强。结果，限制了不稳定的键运动。

比较浅区域中的位置增益kx和深区域中的位置增益kx，由图4A至4C示出的控制参数表可以理解，与在深区域中作出的努力相比，运动控制器11更强烈地致力于消除浅区域中的位置偏差ex。此外，当运动控制器11在基准键轨迹上发现高速的黑键和白键1a/1b时，即，因为加数u给出为(9+2(rv-100)/100)％，所以运动控制器11使加数u随着目标键速度rv变化。这使得增强了对速度偏差ev的灵敏性。换句话说，运动控制器11强迫黑键和白键1a/1b迅速追上目标键速度rv。

这样，对于控制参数kx、kv和u，运动控制器11不仅考虑目标键位置rx和目标键速度所表示的键运动，还考虑键运动的负载，使得自动演奏器300可以以高保真度重演由一组乐曲数据代码表示的演奏。

                          第二实施例

除了较低音高部分的控制参数表以外，实施本发明的自动演奏器钢琴与实现第一实施例的自动演奏器钢琴相似。出于此原因，将描述集中于较低音高部分的控制参数表。当提到自动演奏器钢琴的组成部件时，该组成部件的名称之后跟随着指示实现第一实施例的自动演奏器钢琴的对应组成部件的附图标记。

在图4A示出的控制参数表中，浅区域和深区域之间的边界B如式1所示的那样变化，并随着键编号Kni而连续变化。另一方面，浅区域和深区域之间的边界B’根据合并在第二实施例中的控制参数表内的键组而变化。较低音高部分中的黑键和白键被分为多个键组。在每个键组中合并n个键的情况中，浅区域和深区域之间的边界B’变化如下

B’＝6-0.04×(n×[KN/n]-1)    .......式3其中，[]是高斯符号。

在此实例中，对于每个键组，边界B’固定为某个值，并且从一键组到另一键组逐步变化。因为制造商可以准备边界B’并将其存储在控制参数表中，所以这一特征适用于原声钢琴的简单型号。

尽管示出和描述了本发明的特定实施例，但对本领域技术人员来说将清楚的是，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变和修改。

首先，自动演奏器钢琴不对本发明的技术范围设置任何限制。只要在操纵器之间负载不同，本发明就可适用于其它种类的自动演奏器乐器。

大钢琴100不对本发明的技术范围设置任何限制。可以用直立式钢琴来代替大钢琴。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。

可以将本发明应用于自动演奏器钢琴的踏瓣。由于制音器和键盘在踏瓣上施加不同的负载，因此控制器优化提供给电磁控制的踏瓣致动器的驱动信号。这样，黑键和白键1a/1b不对本发明的技术范围设置任何限制。

图4A至4E示出的位置增益kx、速度增益kv和加数u适合于大钢琴100的某个型号，并且不对本发明的技术范围设置任何限制。可以为大钢琴的另一型号或直立式钢琴的某个型号准备另一组控制参数表。

键盘1可以划分为两个或多于3个的音高部分。如果键盘被划分为两个音高部分，则为自动演奏器准备两个控制参数表。另一方面，如果键盘被划分为多于3个音高部分，则控制参数表等于这些音高部分。在极端的情况中，分别为所有黑键和白键准备控制参数表。

此外，可以用等式的形式给出控制参数表。在此实例中，中央处理单元通过使用这些等式来计算控制参数。

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，其中电阻器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。

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。

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。

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。

在伺服控制中可以考虑键加速度。在此实例中，还将加速度增益存储在控制参数表中，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，并将乘积加到其它乘积上。还将加数加到乘积的和上，并确定目标占空比。

运动控制器11可以将实际键位置yx和实际键速度yv用于准备控制参数kx、kv和u。在此实例中，从方框38/39向方框33报告实际键位置yx和实际键速度yv。

位置增益kx可以随着所有黑键和白键1a/1b的键编号Kni而变化。换句话说，可变的位置增益kx不限于在浅区域中行进的较高音高部分中的黑键和白键1a/1b(参见控制参数表4C)。即使这样，被分配了小键编号的键的位置增益kx也将大于被分配了大键编号的键的位置增益kx。

此外，浅区域和深区域之间的边界B可以随着所有黑键和白键1a/1b的键编号Kni而变化。在第一实施例中，边界B随着键编号Kni线性变化。然而，在另一实施例的一组控制参数表中，边界B可以非线性变化。

在被释放的键的控制参数表中，在浅区域和深区域之间，控制参数可以是不同的。

可以直接从控制参数表中读出控制参数kx、kv和u而不经任何计算，作为示例，在步骤S5和S6进行所述计算。在此实例中，为基准轨迹上的键运动准备所有控制参数，并将其存储在合适的存储器中。

可以通过有线逻辑电路来完成流程图中的任务。

所述组成部件与权利要求语言相关如下。原声钢琴100充当“乐器”，并且黑键和白键1a/1b、动作单元2、弦槌3和制音器5作为整体组成“多个链接构件”。弦4对应“音调生成器”。电磁控制的键致动器6对应“多个致动器”，并且键传感器7充当“多个传感器”。预数据处理器10和运动控制器11作为整体组成“控制器”。

键位置信号yxa相当于“检测信号”，并且键传感器7向控制器报告相关的黑键和白键1a/1b的实际键位置，该实际键位置对应“实际物理量”。黑键和白键1a/1b的“运动”由实际键位置表示，并且“基准轨迹上当前期望的运动”由目标键位置rx和目标键速度rv表示。驱动信号ui的平均电流或占空比对应驱动信号的“量值”。位置偏差ex和速度偏差ev表示由实际物理量表示的运动和基准轨迹上当前期望的运动之间的“差异”。位置增益kx、速度增益kv和加数u充当“控制参数”。

Claims (27)

1.一种用于重演由一组乐曲数据代表的演奏的自动演奏器乐器，包括：

乐器(100)，包括

多个链接构件(1a/1b、2、3、5)，被有选择地驱动以指定要产生的音调，并具有不同的质量值，和

音调生成器(4)，被所述链接构件(1a/1b、2、3、5)激励，以便产生所述音调；以及

自动演奏器(300)，包括

多个致动器(6)，分别与所述多个链接构件(1a/1b、2、3、5)相关联，并响应驱动信号(ui)，以便有选择地将力施加到所述多个链接构件(1a/1b、2、3、5)上，从而驱动相关联的链接构件(1a/1b、2、3、5)在各自的基准轨迹上行进，而没有人类演奏者的手指弹奏，其中所述基准轨迹是在乐曲数据的基础上确定的，

多个传感器(7)，产生代表实际物理量的检测信号(yxa)，所述实际物理量表示所述多个链接构件(1a/1b、2、3、5)的运动，和

控制器(10、11)，连接于所述多个致动器(6)和所述多个传感器(7)，用于产生伺服控制环(304)，

其特征在于

所述控制器(10、11)在由所述实际物理量表示的所述运动和所述基准轨迹上当前期望的运动之间的差异、以及随着所述质量和所述运动一起变化的控制参数(kx、kv、u)的基础上，确定所述驱动信号(ui)的所述量值的值，并将所述驱动信号(ui)调整为所述量值的所述值。

2.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中，多个链接构件(1a/1b、2、3、5)被划分为多个链接构件组，并且所述控制参数(kx、kv、u)的值被不同地分配了所述多个链接构件组。

3.如权利要求2所述的自动演奏器乐器，其中，每个链接构件组的所述控制参数(kx、kv、u)根据链接构件(1a/1b、2、3、5)的速度和所述链接构件(1a/1b、2、3、5)的行程而变化。

4.如权利要求2所述的自动演奏器乐器，其中，所述链接构件组的一个由质量比剩余链接构件(1a/1b、2、3、5)大的链接构件(1a/1b、2、3、5)组成，所述链接构件组的另一个由质量比剩余链接构件(1a/1b、2、3、5)小的链接构件(1a/1b、2、3、5)组成，而所述链接构件组的再一个由质量比所述链接构件组的所述一个的所述链接构件(1a/1b、2、3、5)小、并且质量比所述链接构件组的所述另一个的所述链接构件(1a/1b、2、3、5)大的链接构件(1a/1b、2、3、5)组成。

5.如权利要求4所述的自动演奏器乐器，其中，每个链接构件组的所述控制参数(kx、kv、u)根据链接构件(1a/1b、2、3、5)的速度和所述链接构件(1a/1b、2、3、5)的行程而变化。

6.如权利要求5所述的自动演奏器乐器，其中，在所述链接构件组的所述一个中，所述控制参数中的一个(kx)的大值和所述控制参数的所述一个(kx)的小值之间的临界行程(B；B’)与所述质量的值(KN)一起变化，而在所述链接构件组的所述另一个中，所述控制参数中的另一个(kx)与所述质量的值(KN)一起变化。

7.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中，从由位置组成的组中选择所述实际物理量。

8.如权利要求7所述的自动演奏器乐器，其中，从所述组中选择的所述实际物理量和另一实际物理量对应于所述基准轨迹上的目标物理量(rx)和所述基准轨迹上的另一目标物理量(rv)，并且，当前期望的所述运动由所述目标物理量(rx)和所述另一目标物理量(rv)表示。

9.如权利要求8所述的自动演奏器乐器，其中，所述实际物理量和所述目标物理量(rx)之间的偏差(ex)、以及所述另一实际物理量和所述另一目标物理量(rv)之间的另一偏差(ev)表示由所述实际物理量表示的所述运动和所述基准轨迹上当前期望的所述运动之间的所述差异。

10.如权利要求9所述的自动演奏器乐器，其中，所述控制参数包括将所述偏差(ex)与之相乘的增益(kx)、将所述另一偏差(ev)与之相乘的另一增益(kv)、以及加到所述增益和所述偏差之间的乘积(ux)与所述另一增益和所述另一偏差之间的另一乘积(uv)的和(uxv)上的加数(u)，并且所述加数、所述乘积(ux)和所述另一乘以(uv)的总和等于所述量值的所述值。

11.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中，所述多个乐器是原声钢琴(100)，使得通过充当所述音调生成器的弦(4)的振动产生所述音调，并且黑键和白键(1a/1b)、动作单元(2)、制音器(5)和弦槌(3)形成所述多个链接构件。

12.如权利要求11所述的自动演奏器乐器，其中，所述弦槌(3)质量根据通过相关弦(4)产生的所述音调的音高而不同，并且所述黑键和白键(1a/1b)形成与所述弦槌(3)相关的多个音高部分，其中，所述弦槌(3)被根据所述质量分组，并分别被分配了所述控制参数(kx、kv、u)的不同组的值。

13.如权利要求12所述的自动演奏器乐器，其中，所述多个音高部分中的一个包括与比剩余弦槌(3)重的弦槌(3)相关的黑键和白键(1a/1b)，所述多个音高部分的另一个包括与比剩余弦槌(3)轻的弦槌(3)相关的黑键和白键(1a/1b)，而所述多个音高部分的再一个包括与比所述较低音高部分相关的所述弦槌(3)和所述较高音高部分相关的所述弦槌(3)轻的所述弦槌(3)相关的黑键和白键(1a、1b)。

14.如权利要求12所述的自动演奏器乐器，其中，所述控制参数(kx、kv、u)的所述不同组的值的每一个还根据所述黑键和白键(1a/1b)的速度(rv)以及键行程(rx)而变化。

15.一种用于乐器(100)的自动演奏器，该乐器(100)包括：多个链接构件(1a/1b/2、3、5)，被有选择地驱动以指定要产生的音调，并具有不同的质量值；以及音调生成器(4)，被所述链接构件(1a/1b/2、3、5)激励，以便产生所述音调，

所述自动演奏器(300)包括

多个致动器(6)，分别与所述多个链接构件(1a/1b/2、3、5)相关联，并响应驱动信号(ui)，以便有选择地将力施加到所述多个链接构件(1a/1b/2、3、5)上，从而驱动相关联的链接构件(1a/1b/2、3、5)在各自的基准轨迹上行进，而没有人类演奏者的手指弹奏，其中所述基准轨迹是在乐曲数据的基础上确定的，

多个传感器(7)，产生代表实际物理量的检测信号(yxa)，所述实际物理量表示所述多个链接构件(1a/1b/2、3、5)的运动，以及

控制器(10、11)，连接到所述多个致动器(6)和所述多个传感器(7)，用于产生伺服控制环(304)，

其特征在于

所述控制器(10、11)在由所述实际物理量表示的所述运动和所述基准轨迹上当前期望的运动之间的差异、以及随着所述质量和所述运动一起变化的控制参数(kx、kv、u)的基础上，确定所述驱动信号(ui)的所述量值的值，并将所述驱动信号(ui)调整为所述量值的所述值。

16.如权利要求15所述的自动演奏器，其中，多个链接构件(1a/1b/2、3、5)被划分为多个链接构件组，并且所述控制参数(kx、kv、u)的值被不同地分配了所述多个链接构件组。

17.如权利要求16所述的自动演奏器，其中，每个链接构件组的所述控制参数(kx、kv、u)根据链接构件(1a/1b/2、3、5)的速度(rv)和所述链接构件(1a/1b/2、3、5)的行程(rx)而变化。

18.如权利要求16所述的自动演奏器，其中，所述链接构件组的一个由质量比剩余链接构件(1a/1b/2、3、5)大的链接构件(1a/1b/2、3、5)组成，所述链接构件组的另一个由质量比剩余链接构件(1a/1b/2、3、5)小的链接构件(1a/1b/2、3、5)组成，而所述链接构件组的再一个由质量比所述链接构件组的所述一个的所述链接构件(1a/1b/2、3、5)小、并且质量比所述链接构件组的所述另一个的所述链接构件(1a/1b/2、3、5)大的链接构件(1a/1b/2、3、5)组成。

19.如权利要求18所述的自动演奏器，其中，每个链接构件组的所述控制参数(kx、kv、u)根据链接构件(1a/1b/2、3、5)的速度(rv)和所述链接构件(1a/1b/2、3、5)的行程(rx)而变化。

20.如权利要求19所述的自动演奏器，其中，在所述链接构件组的所述一个中，所述控制参数中的一个(kx)的大值和所述控制参数的所述一个(kx)的小值之间的临界行程(B、B’)随着所述质量的值(KN)一起变化，而在所述链接构件组的所述另一个中，所述控制参数中的另一个(kx)随着所述质量的值(KN)一起变化。

21.如权利要求15所述的自动演奏器，其中，从由位置、速度和加速度组成的组中选择所述实际物理量(yx)。

22.如权利要求21所述的自动演奏器，其中，从所述组中选择的所述实际物理量(yx)和另一实际物理量(yv)对应于所述基准轨迹上的目标物理量(rx)和所述基准轨迹上的另一目标物理量(rv)，并且，当前期望的所述运动由所述目标物理量(rx)和所述另一目标物理量(rv)表示。

23.如权利要求22所述的自动演奏器，其中，所述实际物理量(yx)和所述目标物理量(rx)之间的偏差(ex)、以及所述另一实际物理量(yv)和所述另一目标物理量(rv)之间的另一偏差(ev)表示由所述实际物理量表示的所述运动和所述基准轨迹上当前期望的所述运动之间的所述差异。

24.如权利要求23所述的自动演奏器，其中，所述控制参数包括将所述偏差(ex)与之相乘的增益(kx)、将所述另一偏差(ev)与之相乘的另一增益(kv)、以及加到所述增益(kx)和所述偏差(ex)之间的乘积(ux)与所述另一增益(kv)和所述另一偏差(ev)之间的另一乘积(uv)的和(uxv)上的加数(u)，并且所述加数(u)、所述乘积(ux)和所述另一乘积(uv)的总和等于所述量值的所述值。

25.一种用于通过乐器(100)重演由一组乐曲数据代表的演奏的方法，包括以下步骤：

a)确定基准轨迹，其中合并在所述乐器(100)中的链接构件(1a/1b/2、3、5)将在该基准轨迹上行进，以便使音调生成器(4)在合并于所述组中的乐曲数据的基础上产生音调；

b)获取代表实际物理量(yx)的检测数据(yk)，所述实际物理量表示所述链接构件(1a/1b/2、3、5)的运动；

c)将由所述实际物理量(yk)表示的所述运动与所述基准轨迹上当前期望的运动相比较，以查看在它们之间是否出现差异；

d)当所述步骤c)处的答案给出为肯定时，确定随着所述链接构件(1a/1b/2、3、5)的所述运动和质量一起变化的控制参数(kx、kv、u)；

e)在所述差异和所述控制参数(kx、kv、u)的基础上确定驱动信号(ui)的量值的新值；

f)将所述驱动信号(ui)提供给与所述链接构件(1a/1b/2、3、5)相关联的致动器(6)，使得所述致动器(6)将对应于所述量值的所述新值的力施加到所述链接构件(1a/1b/2、3、5)上，从而强迫所述链接构件(1a/1b/2、3、5)在所述基准轨迹上行进；

g)当所述步骤c)处的所述答案给出为否定时，将所述驱动信号(ui)保持在所述量值的当前值，使得所述链接构件(1a/1b/2、3、5)连续地在所述基准轨迹上行进；以及

h)重复所述步骤a)至g)，直到所述链接构件(1a/1b/2、3、5)到达所述基准轨迹的终点。

26.如权利要求25所述的方法，其中，从由位置、速度和加速度组成的组中选择所述实际物理量(yx)和另一实际物理量(yv)，并且所述基准轨迹上当前期望的所述运动由对应于所述实际物理量(yx)的目标物理量(rx)和对应于所述另一实际物理量(yv)的另一目标物理量(rv)表示，使得在所述步骤c)中确定所述实际物理量(yx)和所述目标物理量(rx)之间的偏差(ex)、以及所述另一实际物理量(yv)和所述另一目标物理量(rv)之间的另一偏差(ev)，以便确定是否出现所述差异。

27.如权利要求26所述的方法，其中，在所述步骤e)，将所述偏差(ex)和所述另一偏差(ev)分别乘以所述控制参数中的一个(kx)和所述控制参数中的另一个(kv)，并将所述控制参数中的再一个(u)加到所述偏差(ex)和所述控制参数中的所述一个(kx)之间的乘积(ux)与所述另一偏差(ev)和所述控制参数中的所述另一个(kv)之间的乘积(uv)的和(uxv)上，以便确定所述量值的所述新值。

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