CN1825426A - 能再现停－走键运动的自动演奏器及其乐器 - Google Patents

Abstract

当在紧接于目标停止点(KX)之前的区域中发现键(1a/1b)时，自动演奏器钢琴的伺服控制器(12)将实际键位置(yd)正规化为小于指示基准轨迹上的目标停止点(KX)的基准值的值(yx)，而当键(1a/1b)超过目标停止点(KX)时，将实际键位置(yd)正规化为大于所述基准值的另一值(yx)，并且，以这种方式将驱动信号(ui)调整为适当的值，使得电磁控制的键致动器(6)将所述值(yx)或所述另一值(yx)与基准值之间的差最小化，由此伺服控制器(12)将键(1a/1b)保持在目标停止点(KX)两侧的狭窄区域中，以便再现停－走键运动。

Description

能再现停-走键运动的自动演奏器及其乐器

技术领域

本发明涉及一种自动演奏器，特别涉及一种合并在乐器中的自动演奏器，用于在重放时再现键运动。

背景技术

作为示例，在诸如例如用于重放的自动演奏器钢琴的混合乐器中采用伺服控制技术。混合乐器是在原声乐器的基础上制造的，并且电气系统被安装在原声乐器中，以便在重放时协助人类演奏者。例如，在原声钢琴的基础上制造自动演奏器钢琴，并且自动演奏器在原声钢琴上重演演奏。为了以高保真度再现键运动，在自动演奏器中采用伺服控制技术。

在原声钢琴上演奏一首乐曲，并且用一组乐曲数据代码来表示原始演奏。当用户指示自动演奏器重演一首乐曲时，自动演奏器顺次开始分析该乐曲数据代码，并有选择地引起原始键运动。因此，期望自动演奏器按照与原始演奏中的表演风格相同的各种表演风格来再现键运动。

通常通过记录器来记录原始演奏，并且在记录器和自动演奏器之间共享若干种系统组件。例如，尽管为记录器和自动演奏器准备了不同的子例程，但是这些子例程在共享于记录器和自动演奏器之间的中央处理单元上有选择地运行。然而，其它系统组件仅仅是为自动演奏器或记录器准备的。因此，共享的系统组件和专用的系统组件组合形成所述电气系统。

在日本专利申请公开第Hei 7-175471号中公开了电气系统的典型示例。现有技术电气系统包括键传感器、弦槌传感器、活塞传感器、电磁控制的键致动器和控制器。键传感器和弦槌传感器专门用于记录。活塞传感器和电磁控制的键致动器专门用于自动演奏，并与控制器一起组合形成伺服控制环。然而，该控制器是在记录器和自动演奏器之间共享的。

键传感器是光位置变换器，并且活塞传感器被分类为MM(动磁)型速度传感器。每个弦槌传感器由两个光耦合器来实现，并且弦槌柄间歇地打断穿过其轨迹而投射的光束。控制器确定弦槌与弦碰撞的时刻、以及在该碰撞之前瞬间的弦槌速度。每个键传感器由附接到相关联的键的遮光板(shutterplate)、以及沿着遮光板的轨迹布置的两个光耦合器来实现。当键从静止位置向终点位置行进时，遮光板顺次打断穿过所述轨迹而投射的光束，并且控制器确定释放键的时刻以及反向运动的速度。

现有技术电气系统旨在以诸如重复的某种表演风格来再现半行程键运动。在键从静止位置向终点位置行进而不做任何停止的情况中，在下文中将该键运动称为“全行程键运动”。控制器分析表示向上键运动以及接下来的向下键运动的乐曲数据代码，以便将向上键轨迹和向下键轨迹逼近为线性线。控制器检查该线性线，以查看它们是否在静止位置和终点位置之间的任何地方彼此相交。如果答案给出为肯定，则控制器在交点处将键运动从向上的方向改变为向下的方向，以便再现半行程键运动。这样，现有技术电气系统再现半行程键运动和全行程键运动。

在现有技术控制器中的数据处理器上运行的子例程被设计用来再现半行程键运动，并且由电磁控制的键致动器、活塞传感器和控制器形成的伺服控制环强迫键在半行程键运动的目标轨迹上行进。

尽管现有技术电气系统可以再现半行程键运动，但是难以再现停-走(stop-and-go)键运动。在停-走键运动中，键表现如下。键朝着终点位置向下运动，并停止在前往终点位置途中的某个点处。在某个时间周期内将键保持在该点处，并随后使其重新开始向终点位置前进或返回静止位置。因此，停-走键运动包含向某个点的连续运动、在所述某个点处的停止以及从所述某个点起的连续运动。术语“连续键运动”与停-走键运动相反。键从静止位置向终点位置行进而不做任何停留。连续键运动仅包含连续运动。

现有技术电气系统有时候不能区分停-走键运动和连续键运动。在半行程键运动中，所述某个时间周期非常短，使得所述线性线可以确定地在静止位置和终点位置之间彼此相交。然而，在停-走键运动中，钢琴家有时候在长时间周期内将键保持在所述某个点处。在此情形中，线性线彼此不相交。当钢琴家在停止之后重新开始向上键运动或向下键运动时，线性线彼此不相交。因此，现有技术电气系统不能处理停-走键运动。

此外，现有技术控制器不能将键停止在目标停止点(stop)处。换句话说，键在目标停止点上方逐渐移动。这是因为这样的事实：在现有技术电气系统中建立的伺服控制环将当前键位置与目标停止点相比较，以查看键是否准确地在目标轨迹上行进。在现有技术电气系统中，将反馈信号从活塞速度传感器提供给控制器，并且控制器通过对速度数据进行积分来确定当前活塞位置，即当前键位置。由于通过运算放大器来放大活塞速度信号，因此由于运算放大器中的偏移电压而不可避免地将噪声分量引入速度数据中，并且该噪声分量通过积分而被累加。因此，控制器通过与不准确的位置数据的比较来对伺服控制做出决策。结果，键不停止在目标停止点处。换句话说，现有技术电气系统不能再现停-走运动。

发明内容

因此，本发明的一个重要目的是提供一种可以产生停-走键运动的重放系统。

本发明的另一个重要目的是提供一种配备有该重放系统的乐器。

为了实现该目的，本发明提出在目标停止点之前的区域中始终以与键运动方向相同的方向、而在越过目标停止点的另一区域中始终以与键运动方向相反的方向施加力。

根据本发明的一个方面，提供一种用于产生乐器的操纵器的至少停-走运动的自动演奏器，包括：致动器，分别被与操纵器相关联地提供，并且响应于驱动信号，以便将力施加到相关联的操纵器上，从而沿着为停-走运动在其上确定目标停止点的基准轨迹移动相关联的操纵器；传感器，监控操纵器，以产生代表运动数据的信号，其中所述运动数据表示操纵器在实际轨迹上的实际运动；以及数据处理单元，其包括：运动控制器，确定表示操纵器在基准轨迹上的目标运动的控制数据，并以时间间隔输出该控制数据；以及伺服控制器，连接于传感器、运动控制器和致动器，用于对操纵器进行伺服控制，所述伺服控制器以这种方式将运动数据正规化，使得以与操纵器向目标停止点前进的实际运动方向相同的方向、以及以与操纵器越过目标停止点的实际运动方向相反的另一方向来表示所述力，并且，通过已经正规化的运动数据和控制数据之间的差的最小化来将驱动信号调整到适当的幅度值。

根据本发明的另一方面，提供一种用于通过至少停-走运动产生音调的乐器，包括：操纵器，在所述至少停-走运动中被有选择地移动，以指定要产生的音调的属性；链接构件，连接于操纵器，使得操纵器引起链接构件的运动；以及自动演奏器，用于产生至少操纵器的停-走运动，并且包括：致动器，分别被与操纵器相关联地提供，并响应于驱动信号，以便将力施加到相关联的操纵器上，从而沿着在其上确定目标停止点的基准轨迹、通过停-走运动来移动相关联的操纵器；传感器，监控操纵器，以产生代表运动数据的信号，其中所述运动数据表示操纵器在实际轨迹上的实际运动；以及数据处理单元，其具有：运动控制器，确定表示操纵器在基准轨迹上的目标运动的控制数据，并以时间间隔输出该控制数据；以及伺服控制器，连接于传感器、运动控制器和致动器，用于对操纵器进行伺服控制，所述伺服控制器以这种方式将运动数据正规化，使得以与操纵器向目标停止点前进的实际运动方向相同的方向、以及以与操纵器越过目标停止点的实际运动方向相反的另一方向来表示所述力，并且，通过已经正规化的运动数据和控制数据之间的差的最小化来将驱动信号调整到适当的幅度值。

附图说明

根据结合附图的以下描述，将更清楚地理解所述自动演奏器和乐器的特征及优点，其中，

图1是示出根据本发明的乐器的结构的横截面侧视图，

图2是示出在静止位置和终点位置之间移动的键的示意性侧视图，

图3是示出合并在乐器中的控制器的系统配置的方框图，

图4是示出重放数据的数据格式的视图，

图5是示出自动演奏中的控制器的功能的方框图，

图6是示出对计数器的输出正规化的视图，

图7是示出在自动演奏中对键的伺服控制的流程图，

图8A和8B是示出对停-走运动的伺服控制的流程图，

图8C和8D是示出对连续运动的伺服控制的流程图，

图9A是示出由本发明的乐器实现的对停-走键运动的伺服控制的曲线图，

图9B是示出对停-走键运动的现有技术伺服控制的曲线图，

图10是示出自动演奏中的另一控制器的功能的方框图，

图11是示出根据本发明的对合并在另一控制器中的计数器的输出的正规化的概念的视图，以及

图12是示出自动演奏中另一控制器的功能的方框图。

具体实施方式

实施本发明的乐器主要包括操纵器、链接构件和自动演奏器。有选择地移动操纵器，以指定诸如例如音高或效果的音调的属性。操纵器连接于链接构件，并引起链接构件的预定运动。有可能向链接构件提供各种运动。例如，链接构件可以通过诸如弦槌的组件的旋转来有选择地撞击弦，以便产生以所述属性为特征的音调。链接构件可以关闭或打开连接于电子音调生成器的开关。预定运动的另一示例是仅仅给出对操纵器的运动的阻碍，而没有任何音调产生。该阻碍可被称为“键接触(key touch)”。

作为示例，与操纵器相关联地提供自动演奏器，以进行重放、音乐教育和展示。假设自动演奏器重演演奏。自动演奏器有选择地引起操纵器的运动，并且操纵器使链接构件产生音调。当用户记录操纵器上的演奏时，用户通常引起连续运动，所述连续运动是从静止位置到终点位置的连续运动，而在轨迹上的中间点处没有任何停留。然而，用户可以以停-走运动的方式移动操纵器，所述停-走运动表示在连续运动中、在轨迹上存在停留。自动演奏器在重放时再现连续运动、停-走运动和其它种类的运动。

在自动演奏器充当音乐教学机的情况下，该音乐教学机使操纵器略微下降，以引导学员的手指。学员按下操纵器，并且音乐教学机评估该手指弹奏。这样，音乐教学机通过停-走运动向学员提供对手指弹奏的指导。

当用户向自动演奏器请求展示时，自动演奏器以停-走运动的方式顺次移动操纵器，使得操纵器被放置在诸如波状图案的精细图案(fine pattern)上。自动演奏器可以逐步改变操纵器的深度，就像该波通过操纵器阵列前进一样。

自动演奏器通过致动器、传感器和数据处理单元来产生或再现停-走运动。致动器被与操纵器相关联地提供，并且响应从数据处理单元提供的驱动信号。假设驱动信号激励操纵器之一。致动器将力施加到该操纵器上，以便在基准轨迹上移动该操纵器，所述基准轨迹是指随时间变化的目标位置。当操纵器行进时，传感器监控该操纵器以便产生信号，并将该信号提供给用于对该操纵器进行伺服控制的数据处理单元。该信号代表表示操纵器在实际轨迹上的实际运动的运动数据。

数据处理单元包括运动控制器以及用于对操纵器进行伺服控制的伺服控制器。运动控制器确定表示基准轨迹上的目标位置的控制数据，并以时间间隔将该控制数据输出到伺服控制器。伺服控制器在运动数据和控制数据的基础上按照下面所述来进行伺服控制。在操纵器之一开始在基准轨迹上行进的假设下，对停-走运动的伺服控制进行描述。已经在基准轨迹上确定了目标停止点。

首先，伺服控制器按照下面所述将运动数据正规化。如果操纵器尚未到达目标停止点，则将该运动数据正规化为表示与操纵器的实际运动方向相同方向的力。该力保持操纵器向目标停止点前进。另一方面，如果操纵器已经越过目标停止点，则将该运动数据正规化为表示与实际运动方向相反的另一方向的力。该力使操纵器返回目标停止点。如果操纵器再次越过目标停止点，则操纵器被发现处于静止位置和目标停止点之间，并且伺服控制器将运动数据正规化为表示与该运动相反的力。这样，伺服控制器将运动数据正规化，以便将操纵器限制在目标停止点周围的狭窄区域中。

当运动数据被正规化时，伺服控制器按照使运动数据和正规化的运动数据之间的差最小化这样的方式将驱动信号调整为适当的幅度值。这导致了在目标停止点周围的狭窄区域中的所述限制。用户感觉该操纵器好像停止在目标停止点处。

在以下描述中，术语“前面”表示比用术语“后面”修饰的另一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，并且，在前面位置和对应的后面位置之间画的线沿“纵向”延伸。横向以直角与纵向相交，并且上下方向垂直于由纵向和横向定义的平面。

当演奏者按下键的前部时，他或她的手指引起“向下键运动”。另一方面，术语“向上键运动”在方向上与向下键运动相反。术语“键运动”包括向下键运动和向上键运动。

第一实施例

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200。电气系统200安装在原声钢琴100中，并且具有数据处理能力。用户按照下面所述在存在和不存在电气系统200的协助的情况下欣赏乐曲。

用户在原声钢琴上用手指弹奏乐曲，并且该手指弹奏通过原声钢琴100引起原声钢琴音调。这样，用户在没有电气系统200的任何协助的情况下欣赏这些乐曲。

电气系统200至少充当自动演奏器210和记录器220。假设用户指示电气系统200记录他或她在原声钢琴100上的演奏。记录器220分析表示手指弹奏和踩踏瓣的位置数据，并通过该分析产生代表所述演奏的一组乐曲数据代码。当用户请求电气系统200重演演奏时，自动演奏器210开始在原声钢琴100上弹奏这首乐曲，并在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下顺着乐曲的节(passage)产生原声音调。这样，用户在电气系统200的协助下欣赏这些乐曲。

原声钢琴

在此实例中，原声钢琴100是卧式钢琴。当然，可以将直立式钢琴用于自动演奏器钢琴。原声钢琴100包括其中合并了黑键1a和白键1b的键盘1、键动作单元2、弦槌3、弦4和制音器5。键盘1安装在形成钢琴箱体的一部分的中盘1c的前部，并被暴露给钢琴家，所述钢琴家正坐在钢琴箱体前面的凳子(未示出)上以演奏一首乐曲。动作单元2、弦槌3、弦4和制音器5装在钢琴箱体内部，并且当顶盖(未示出)折起时，内部空间向周围敞开。

黑键1a和白键1b沿纵向延伸，并沿横向以众所周知的模式放置。在此实例中，将88个键1a/1b合并在键盘1中。键架中板1d在中盘1c上方横向延伸，并且黑键1a和白键1b静止在键架中板1d上。圆键钉P不时地从键架中板1d向上伸出，并向黑/白键1a/1b提供支点。当用户按下黑键和白键1a/1b的前端部时，该前端部向中盘1c下降，并且后部升高。这样，黑键和白键1a/1b像跷跷板一样上下倾斜。

当在前端部不施加任何力时，黑键和白键1a/1b停留在各自的静止位置处，并且在图1中用实线画出了静止位置处的黑键和白键1a/1b。黑键和白键1a/1b终止在各自的终点位置处，并且在图1中用点划线画出了终点位置处的黑键和白键1a/1b。键行程表示距静止位置的距离。在此实例中，静止位置处的键行程是0，而终点位置处的键行程是10毫米。因此，键行程在0和10毫米之间变化。在图2中，用“R”和“E”来标注静止位置和终点位置，并且静止位置R和终点位置E之间的距离是10毫米。

回到图1，黑/白键1a/1b分别与动作单元2链接，使得被按下的键1a/1b驱动相关联的动作单元2。弦槌3静止在顶杆2a上，所述顶杆2a与调节按钮2b一起形成动作单元2的各部分。当使顶杆2a的尖端与相关联的调节按钮2b相接触时，顶杆2a脱离相关联的弦槌3，并将力施加在弦槌3上。然后，弦槌3开始向相关的弦4的自由旋转。这样，通过顶杆2a的脱离来驱动弦槌3自由旋转。

弦4在相关联的弦槌3上方拉紧，并被相关联的弦槌3在自由旋转的终点撞击。制音器5与黑键和白键1a/1b的后端部链接，并且分别与弦4相关联。当黑键和白键1a/1b停留在静止位置时，制音器5被保持与相关联的弦4相接触，并防止相关联的弦4振动。被按下的键1a/1b在前往终点位置的途中使相关联的制音器5与弦4隔开。然后，弦4准备好振动。

尽管原声钢琴100还包括踏瓣，但是这些踏瓣，即延音踏瓣、弱音踏瓣和选择踏瓣，对本领域技术人员来说是众所周知的，并且在下文中不加入任何进一步的描述。

电子系统的系统配置

充当自动演奏器210和记录器220的电子系统200包括电磁控制的器键致动器6的阵列、控制器8、键传感器25的阵列、弦槌传感器26的阵列以及活塞传感器35。活塞传感器35分别被内置在电磁控制的键致动器6中。控制器8连接于电磁控制的键致动器6，并用驱动信号ui有选择地激励电磁控制的键致动器6。电磁控制的键致动器6在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下引起键运动，并且活塞传感器35将活塞速度信号ym提供给控制器8。控制器8还连接于键传感器25，并且键传感器25将键位置信号yk提供给控制器8。类似地，控制器8连接于弦槌传感器26，并且弦槌传感器26将弦槌位置信号yh提供给控制器8。尽管在自动演奏器210和记录器220之间共享键传感器25，但是活塞传感器35和弦槌传感器26分别形成自动演奏器210的各部分和记录器220的各部分。

电磁控制的键致动器6被提供在黑键和白键1a/1b后部的下方，并由中盘1c支撑。在中盘1c中形成空隙，并且该空隙在黑键和白键1a/1b后部的下方横向延伸。电磁控制的键致动器6具有各自的活塞6a，并且活塞6a可以从轭(yoke)中伸出以及收缩到轭中，所述轭与螺线管6b相关联。当活塞6a静止在轭中时，活塞6a的顶端处于相关联的键1a/1b的下表面附近。当利用驱动信号ui激励螺线管6b时，活塞6a从轭中伸出，并向上推动黑/白键1a/1b的后部。

活塞传感器35是MM型速度传感器，从而将活塞速度转换为活塞速度信号ym。对于本领域技术人员来说，MM型速度传感器是众所周知的，从而为了简便起见，在下文中不加入进一步的描述。如将在下文中详细描述的那样，在用于自动演奏的伺服控制中使用活塞速度信号ym。

键传感器25在构造上彼此相似。键传感器25的每一个在键轨迹上的基准点的转变(transit)处升高键位置信号ym的电势电平。转变型键传感器25在构造上非常简单，使得生产成本低于在静止位置和终点位置之间连续改变输出信号的类型的键传感器的生产成本。作为示例，利用遮光板25a和光耦合器25b来实现转变型键传感器25。遮光板25a附接到黑/白键1a/1b的下表面，并且光耦合器25b跨过遮光板25a的轨迹而投射光束。当遮光板25a到达基准轨迹上的基准点时，光束被遮光板25a打断，使得键传感器25突然升高键位置信号ym的电势电平。然而，转变型键传感器在基准点之间将键位置信号保持为低电平。尽管转变型键传感器25比较经济，但是转变型键传感器25仅指示在基准点处的转变，并且不可能在伺服控制环中使用转变型键传感器25。

在此实例中，沿着静止位置R和终点位置E之间的键轨迹确定4个基准点K1、K2、K3，如图2所示，并且每两个基准点之间的距离是已知的。当黑键和白键1a/1b经过基准点K1至K4的每一个时，键传感器25在短时间周期内升高位置信号ym的电势电平。

弦槌传感器26是光学类型的，并且控制器8计算弦槌3与弦4碰撞的时刻、以及碰撞之前瞬间的弦槌速度。

控制器8是数据处理能力的源，并且控制器8的系统配置在图3中示出。控制器8包括被缩写为“CPU”的中央处理单元40、被缩写为“ROM”的只读存储器41、被缩写为“RAM”的随机存取存储器42、外部存储单元43、被缩写为“I/O”的信号接口44、被缩写为“PWM”的脉冲宽度调制器45、以及共享总线系统46。中央处理单元40、只读存储器41、随机存取存储器42、外部存储单元43、信号接口44和脉冲宽度调制器45连接于共享总线系统46，使得中央处理单元40可以通过共享总线系统46与只读存储器41、随机存取存储器42、外部存储单元43、信号接口44和脉冲宽度调制器45通信。尽管通信接口和MIDI接口也连接于共享总线系统46，但是在图中未示出这些系统组件。控制器8可通过通信接口连接于因特网、以及通过MIDI接口连接于另一乐器。MIDI接口被设计用于MIDI乐曲数据代码，并且缩写MIDI意思是“乐器数字接口”协议。

中央处理单元40顺次执行表示工作的指令代码，并且通过这些工作来进行自动演奏和记录。这些指令代码被存储在只读存储器41中，使得中央处理单元40通过共享总线系统46从只读存储器41中顺次取出指令代码。其它基本数据也被存储在只读存储器41中，使得中央处理单元40在用于自动演奏和记录的数据处理中访问只读存储器41。

随机存取存储器42充当工作存储器。当中央处理单元40执行所述工作时，表示中间数据的数据代码以及表示要产生的音调的乐曲数据代码被临时存储在随机存取存储器42中。在随机存取存储器42中定义了若干表，并且每个表的区域被分别分配给88个键1a/1b。键位置数据、弦槌位置数据和活塞速度数据被分别写入到表内的各区域中。

外部存储单元43具有远大于随机存取存储器42的数据保存能力的数据保存能力，并且作为示例，其由硬盘、诸如软盘(商标)的柔性盘、诸如CD-ROM或CD-RAM的CD(致密盘)、MO(磁光)盘、zip、DVD(数字多用途盘)和/或半导体存储板来实现。外部存储单元43包括用于以上信息存储介质的驱动器。其中储存了乐曲的数据文件被存储在外部存储单元43中。

模拟-数字转换器和数据缓冲器被合并在信号接口44中。尽管还将操纵板连接于信号接口44，但是在图3中未示出该操纵板。活塞传感器35、键传感器25和弦槌传感器26有选择地连接于模拟-数字转换器。键位置信号yk、弦槌位置信号yh和活塞速度信号ym被周期性地采样，并且将关于键位置信号yk的离散值、关于活塞速度信号ym的离散值、以及关于弦槌位置信号yh的离散值转换为数字代码，所述数字代码被称为“数字键位置信号yd”、“数字活塞速度信号yvd”、以及“数字弦槌位置信号”。数字键位置信号yd、数字活塞速度信号yvd和数字弦槌位置信号被临时存储在数据缓冲器中，并由中央处理单元40取出。在此实例中，以1毫秒的固定间隔对键位置信号yk、弦槌位置信号yh和活塞速度信号ym进行采样。

脉冲宽度调制器45连接于螺线管6b，并用来将驱动信号ui调整为某个占空比。中央处理单元40向脉冲宽度调制器45通知与要移动的黑键和白键1a/1b相关联的电磁控制的键致动器6的每一个的占空比。

共享总线系统46包括数据信号线、地址信号线和控制信号线。通过数据信号线来传播诸如例如乐曲数据代码的数据代码以及表示占空比的数据代码，并且通过地址信号线将地址代码提供给只读存储器41和随机存取存储器42。诸如例如使能信号、读写信号、选择信号和系统时钟信号的控制信号被分配给控制信号线。

如上文所述，通过执行指令代码来进行自动演奏和记录。指令代码形成计算机程序，并且该计算机程序分解为主例程和子例程。当主例程在中央处理单元40上运行时，用户通过操纵板(未示出)向电气系统200给出指令。当中央处理单元40确认该指令时，主例程分支到对应于该指令的子例程。所述子例程之一在中央处理单元40上运行以进行自动演奏，并且另一子例程运行以进行记录。当子例程在中央处理单元40上运行以进行自动演奏或记录时，该子例程周期性地分支到用于数据获取的子例程，并且，将键位置数据和活塞速度数据或者键位置数据和弦槌位置数据从信号接口44传递到随机存取存储器42。

回到图1，功能块10、11和12代表用于自动演奏的子例程，并且分别被称为“预数据处理器”、“运动控制器”和“伺服控制器”。另一方面，用于记录的子例程由分别被称为“乐曲数据产生器”和“后数据处理器”的功能块28和29表示。

假设用户记录他或她在原声钢琴100上的演奏。当用户在键盘1上用手指弹奏以便顺着乐曲的节产生原声钢琴音调时，乐曲数据产生器28存储键位置数据和弦槌位置数据，使得将这些位置数据积存在分配给黑键和白键1a/1b以及弦槌3的表中的存储位置中。乐曲数据产生器28周期性地分析用于键运动和弦槌运动的键位置数据和弦槌位置数据。

当乐曲数据产生器28注意到进入音符开(note-on)事件的黑/白键1a/1b时，乐曲数据产生器28确定分配给被按下的键1a/1b的键编号、最终弦槌速度和将产生原声钢琴音调的时刻，并且产生代表该音符开事件的乐曲数据。类似地，当乐曲数据产生器28注意到进入音符关(note-off)事件的黑/白键1a/1b时，乐曲数据产生器28确定键编号和原声钢琴音调要衰减的时刻，并产生代表该音符关事件的乐曲数据。这样，乐曲数据产生器28对于被按下的键1a/1b和被释放的键1a/1b重复上述序列，并产生表示原声钢琴100上的演奏的乐曲数据。

键传感器25、弦槌传感器26和原声钢琴100具有其自己的个体性。例如，在跨过键轨迹而投射的光束的光强以及键传感器/弦槌传感器25/26的光-光电流转换特性中发现了无规律性，并且中盘1c和键1a/1b的下表面之间的间隙并不严格地彼此相等。所述个体性影响键位置数据和弦槌位置数据，从而该乐曲数据使另一乐器产生与原始钢琴音调略微不同的音调。出于此原因，后数据处理器29从位置数据中消除个体性的影响，以便将乐曲数据正规化。后数据处理器29以MIDI乐曲数据代码来存储正规化的乐曲数据。

预数据处理器10、运动控制器11和伺服控制器12在自动演奏中工作如下。假设用户指示电气系统200重演演奏。将表示该演奏的这组MIDI乐曲数据代码从诸如例如外部存储单元43的数据源传递到随机存取存储器42，并且预数据处理器10顺次开始处理以MIDI乐曲数据代码存储的乐曲数据。

预数据处理器10搜索随机存取存储器42，以查看是否发现当前要处理的MIDI乐曲数据代码。当预数据处理器10发现一个或多个当前要处理的MIDI乐曲数据代码时，预数据处理器10正规化并转换乐曲数据中的物理量的单位。这样，预数据处理器10首先为运动控制器11准备重放数据。

图4示出了重放数据的数据格式。重放数据包含时间数据t、位置数据x、速度数据v和标识数据Kn。标识数据Kn表示分配给黑/白键1a/1b的键编号Kn。

运动控制器11处理重放数据，并确定黑/白键1a/1b将在其上行进的基准键轨迹。运动控制器11周期性地将目标键位置ru和目标键速度rv提供给伺服控制器12。伺服控制器12强迫黑/白键1a/1b以目标键速度rv经过基准键轨迹上的目标键位置ru。如果黑/白键1a/1b准确地沿基准键轨迹行进，则黑/白键1a/1b引起与原始弦槌运动相同的弦槌运动，使得以等于原始钢琴音调响度的响度产生原声钢琴音调。如将在下文详细描述的那样，伺服控制器12将目标键位置ru和目标键速度rv与通过键位置信号yk和活塞速度信号ym报告给伺服控制器12的当前键位置和当前键速度进行比较，以查看黑/白键1a/1b是否准确地在基准键轨迹上行进。当答案给出为肯定时，伺服控制器12将驱动信号ui保持为当前的占空比值。另一方面，如果答案给出为否定，则伺服控制器12将驱动信号ui调整为适当的占空比值。在日本专利申请公开第Hei 7-175471号中描述了该伺服控制序列。

伺服控制器12通过驱动信号ui强迫黑/白键1a/1b在目标键轨迹上行进，并且黑/白键1a/1b使相关联的动作单元2及时脱离弦槌3。弦槌3以目标弦槌速度与弦4碰撞，使得以等于原始钢琴音调响度的响度再现原声钢琴音调。预数据处理器10、运动控制器11和伺服控制器12重复上述序列，并再现与原始演奏中的键运动相同的键运动。

预数据处理器10、运动控制器11和伺服控制器12可以再现停-走键运动和标准键运动。

对黑键和白键的伺服控制

图5示出了用于黑键和白键1a/1b的伺服控制环。功能块1、6、25、35、44和45分别代表黑/白键1a/1b、电磁控制的键致动器6、键传感器25、速度传感器35、信号接口44和脉冲宽度调制器45。功能块50、51、52、56和58、小圆圈53、55和57以及带有箭头54的三角形是通过子例程来实现的。

功能块50以等于用于采样的固定间隔、即1毫秒的固定间隔来改变目标键位置rx和目标键速度rv。因此，目标键位置rx和目标键速度rv可以与对键位置信号yk/yd和活塞速度信号ym的采样同步变化。目标键速度rv的单位是毫米每秒，并且目标键位置rx的值表示静止位置R、基准点K1、K2、K3和K4以及终点位置E。通常在多个采样时间周期内将目标键位置rx保持在与静止位置R、基准点K1至K4之一或者终点位置相对应的某个值处。

由于键传感器25是转变型的，因此在实际键轨迹上的基准点K1、K2、K3和K4的每一个处，键位置信号yk的电势电平瞬间上升超过阈值。当在向下键运动中电势电平超过阈值时，将单触发脉冲提供给计数器51，以便使计数器51增加。另一方面，在向上键运动中，通过单触发脉冲使计数器51减小。“递增计数”或“递减计数”是在活塞速度的方向、即正值或负值的基础上确定的。因此，计数器51指示当前发现黑/白键1a/1b所在的实际键轨迹的区域。该正规化由功能块52执行，并且正规化的键位置yx被提供给比较器53。功能块52处的正规化将在下文中进行描述。

另一方面，活塞速度信号ym指示当前活塞速度，并且当前活塞速度等于当前键速度。通过信号接口44中的模拟-数字转换器将活塞速度信号ym转换为数字活塞速度信号yvd，并且功能块56将活塞速度数据正规化，以便进行单位转换以及消除活塞传感器35的设计位置和实际位置之间的偏差。将正规化的活塞速度或正规化的键速度yv提供给比较器57。

将目标键位置rx和目标键速度rv并行地提供给比较器53和可变增益放大器/加法器54/55。将目标键位置rx与正规化的键位置yx进行比较，以便确定位置偏差ex。将位置偏差ex提供给可变增益放大器54，并将其乘以可变增益Kx。可变增益Kx的值依据目标键速度rv而变化，并且将在下文中进行详细描述。将乘积rve提供给加法器55，使得将该乘积rve加到目标键速度rv上。和数rvc指示修正的目标键速度。

将修正的目标键速度rvc提供给比较器57，并且将其与正规化的键速度yv进行比较。放大器58将所述差、即速度偏差ev乘以增益Kv，并且，将乘积u提供给脉冲宽度调制器45。乘积u指示占空比的目标值，使得脉冲宽度调制器45将驱动信号ui调整到该目标值。

将驱动信号ui提供给电磁控制的键致动器6，使得在磁场中使活塞6a加速或减速。由于活塞运动使相关联的黑/白键1a/1b在所述轨迹上移动，因此活塞传感器35和键传感器25改变活塞速度信号ym和键位置信号yk。这样，通过伺服控制来强迫黑键和白键1a/1b在基准轨迹上行进。

按照下面所述来确定可变增益Kx。在目标键速度rv不为0，即rv≠0的情况中，认为基准键轨迹表示连续键运动，并且可变增益放大器54将可变增益Kx调整为0。

另一方面，如果在静止位置R和终点位置E之间目标键速度rv是0，则认为基准键轨迹表示停-走键运动，并且可变增益放大器54将可变增益Kx调整为某个不等于0的值。

当可变增益放大器54在连续键运动中将可变增益Kx调整为0时，乘积rve等于0，并且所述和数或修正的目标键速度rvc等于目标键速度rv。出于此原因，修正的目标键速度rvc和正规化的键速度yv之间的比较相当于目标键速度rv和正规化的键速度yv之间的比较。脉冲宽度调制器45将驱动信号ui调整到目标占空比，所述目标占空比使速度偏差ev、即目标键速度rv和正规化的键速度yv之间的差减小为0。

另一方面，当可变增益放大器54将可变增益Kx调整到所述某个值时，将位置偏差ex乘以所述某个值，并将乘积rve加到目标键速度rv上。然而，目标键速度rv为0。相乘后的位置偏差rve充当修正的目标速度rvc，并被与正规化的键速度yv进行比较。

图6示出了当前键位置yd、计数器51的输出yxd以及正规化的键位置yx之间的关系。该关系以表的形式存储在只读存储器41中。在此实例中，基准点K1、K2、K3和K4被发现处于从静止位置R起测量的2.7毫米、4.5毫米、6.3毫米和8.1毫米处。当黑/白键1a/1b经过基准点K1至K4时，计数器51在0和4之间改变输出yxd，并且当前键位置被正规化为1.8毫米、3.6毫米、5.4毫米、7.2毫米和9.0毫米。详细地讲，当黑/白键1a/1b在静止位置R和基准点K1之间、在基准点K1和基准点K2之间、在基准点K2和基准点K3之间、在基准点K4和终点位置E之间行进时，正规化的键位置yx分别被保持在0.18毫米、3.6毫米、5.4毫米、7.2毫米和9.0毫米处。例如，即使黑/白键被发现处于静止位置R，当前键位置也被正规化为1.8毫米处。因此，正规化的键位置yx偏离相关联的基准点±0.9毫米。

用于对键进行伺服控制的方法

图7示出了用于在自动演奏中对黑键和白键1a/1b进行伺服控制的指令序列。当中央处理单元40重复主例程时，假设用户指示电气系统200重演演奏。主例程分支到用于自动演奏的子例程。

详细地讲，中央处理单元40确认用于重放的指令，如步骤S1。将一组MIDI乐曲数据代码传递到随机存取存储器42，并且软件计时器开始测量时间消逝。

中央处理单元40检查随机存取存储器42，以查找当前要处理的乐曲数据。当中央处理单元40发现表示音符开事件的乐曲数据时，中央处理单元40从随机存取存储器42中取出该MIDI乐曲数据代码，如步骤S2，并确定被分配了与该MIDI乐曲数据代码的键编号相同的键编号Kn的黑/白键1a/1b的基准键轨迹。在日本专利申请公开第Hei.7-175471号中公开了确定基准键轨迹的方法，从而为简单起见而省略详细描述。

基准轨迹是一系列随时间变化的目标键位置的值。中央处理单元40确定目标键位置rx的当前值、以及在若干个目标键位置rx的值的基础上计算的目标键速度rv的值，如步骤S3。

当确定了当前值rx和rv时，中央处理单元40将当前值rv与0相比较，以查看黑/白键1a/1b是否要停止在基准键轨迹上，如步骤S4。

在开始向下键运动之后瞬间，目标键速度rv具有正值，并且步骤S4处的答案给出为肯定“是”。对于肯定答案“是”，中央处理单元40进行到步骤S5，以进行对连续运动的伺服控制。对连续运动的伺服控制将在下文中详细描述。

随后，中央处理单元40检查基准键轨迹，以查看黑/白键1a/1b是否到达基准键轨迹的终点，如步骤S7。步骤S7处的答案给出为否定“否”，直到目标键位置rx的最后值为止。对于否定答案“否”，中央处理单元40返回步骤S3，并确定目标键位置rx的下一个值和目标键速度rv的下一个值。这样，中央处理单元40在前往基准键轨迹的终点途中重复由步骤S3、S4、S5/S6和S7组成的循环。

当中央处理单元40重复所述循环时，中央处理单元40周期性地检查目标键速度rv，以查看黑/白键1a/1b是否要停止在基准键轨迹上，如果在基准键轨迹上的目标键位置rx的所有值处步骤S4的答案都给出为肯定“是”，则将键运动归类为连续键运动，并且中央处理单元40始终采用从步骤S4到步骤S5的路径。

当黑/白键1a/1b终止在基准键轨迹的终点处时，步骤S7的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元40检查这组乐曲数据代码，以查看演奏是否到达乐曲节的末尾，如步骤S8。如果中央处理单元40发现了表示另一音符开事件的MIDI乐曲数据代码，则中央处理单元40返回步骤S2，并重复由步骤S2至S8组成的循环，并且控制电磁控制的键致动器6，以顺着乐曲的节产生原声钢琴音调。当自动演奏到达乐曲节的末尾时，步骤S8处的答案给出为肯定“是”，并且中央处理单元40返回主例程。

假设基准键轨迹表示停-走键运动。目标键速度rv在基准键轨迹上的某个目标键位置rx处被改变为0，并且步骤S4处的答案给出为否定“否”。所述某个目标键位置rx等于最接近所述某个目标键位置rx的基准点K1至K4之一。然后，中央处理单元S6进行到步骤S6，并控制黑/白键1a/1b以进行停-走运动。用于停-走运动的控制序列将在下文中详细描述。

当完成步骤S6时，中央处理单元40进行到步骤S7，并重复由步骤S3至S7组成的循环。当黑/白键1a/1b到达基准键轨迹的终点时，中央处理单元40进行到步骤S8。这样，中央处理单元40重复由步骤S2至S8组成的循环以进行自动演奏。

图8A和8B示出了对停-走运动的伺服控制，并且图8C和图8D示出了对连续运动的控制。这些流程图具有如图8A/8B和8C/8D所示的并行路径，并且控制器8通过并行处理来完成这些工作。

首先，对停-走键运动进行描述。在图8A和8B示出的流程图中有两条路径。第一条路径开始于步骤S10，并继续进行到步骤S19。第二条路径开始于步骤S16，并且也继续进行到步骤S19。目标键位置rx指示基准点K1、K2、K3和K4之一，并且在基准点K1、K2、K3或K4处目标键速度rv为0。在下文中，将黑/白键1a/1b要在该处停止的基准点K1、K2、K3或K4称为“目标停止点KX”。

详细地讲，中央处理单元40在步骤S10取出数字键位置信号yd。随后，中央处理单元40确定指示实际键轨迹上的区域的计数器51的输出值yxd，如步骤S11，并且，参照图6示出的关系，将输出值yxd正规化为正规化的键位置yx，如步骤S12。

中央处理单元40将正规化的键位置yx与目标键位置rx进行比较，并确定正规化的键位置yx和目标键位置rx之间的位置偏差ex，如步骤S13。正规化的键位置yx与目标停止点KX隔开±0.9毫米，使得位置偏差ex为-0.9毫米或+0.9毫米，直到黑/白键1a/1b要重新启动的时刻为止。随后，中央处理单元40将位置偏差ex乘以可变增益Kx，并将乘积rve确定为加数，如步骤S14。

中央处理单元40将加数rve加到目标速度rv上，并确定修正的目标速度rvc，如步骤S15。如已经描述的那样，目标键速度rv为0，使得修正的目标速度rvc等于加数rve。这样，通过放大器54处的乘法将位置偏差ex转换为修正的目标速度rvc。

第二条路径如下进行。首先，控制器8将模拟活塞速度信号ym转换为数字活塞速度信号yvd，如步骤S16，并且中央处理单元40将由数字活塞速度信号yvd表示的当前活塞速度正规化，如步骤S17，以便以正规化的键速度yv进行到步骤S19，如步骤S18。

当确定了修正的目标速度rvc和正规化的键速度yv二者时，中央处理单元40确定修正的目标速度rvc和正规化的键速度yv之间的速度差ev，如步骤S19。

随后，中央处理单元40将速度差ev乘以恒定增益Kv，以便将速度差ev转换为目标占空比u。中央处理单元40请求脉冲宽度调制器45将驱动信号ui调整到目标占空比u，并且脉冲宽度调制器45响应该请求，如步骤S21。

最后，控制器8将驱动信号ui提供给黑/白键1a/1b下方的电磁控制的键致动器6，如步骤S22，并且中央处理单元40进行到步骤S7。

如将理解的那样，如果黑/白键1a/1b已经经过了目标停止点KX，则位置偏差ex是+0.9毫米；当在目标停止点KX之前发现黑/白键1a/1b时，位置偏差是-0.9毫米。负位置偏差ex或正位置偏差将黑/白键1a/1b保持在目标停止点KX附近。

接下来，对步骤S5处的连续键运动进行描述。在连续键运动中，目标键速度rv不为0，并且连续键运动的流程图也具有如图8C和8D所示的两条路径。第一条路径开始于步骤S30，并且继续进行到步骤S39。第二条路径开始于步骤S36，并且也继续进行到步骤S39。

步骤S30至S33处的工作与步骤S10至S13处的工作相似，并且除了确定修正的目标速度rvc以外，步骤S36至S42处的工作与步骤S16至S22处的步骤相似。由于对于不等于0的目标速度rv来说可变增益Kx为0，因此加数rve为0，并且修正的目标速度rvc等于目标速度rv。结果，将正规化的键速度yv直接与目标键速度rv进行比较。这样，通过标准速度伺服控制来移动黑键和白键1a/1b。

图9A示出了通过对停-走键运动的伺服控制获得的基准键轨迹和实际键轨迹。键位置信号yk的一系列值代表实际键轨迹，并且目标键位置rx的一系列值表示基准键轨迹。

在与静止位置R隔开4.5毫米的基准点K2处指定目标停止点KX。在时刻t0确定了基准键轨迹，并且对停-走运动的伺服控制以正的目标键位置rx的值和正的目标键速度rv的值开始。黑/白键1a/1b进行连续运动，并且键行程朝着基准点K2增大。正规化的键位置被固定为X1，直到基准点K1和基准点K2之间的区域为止。

控制器8在时刻t1将目标键速度rv和目标键位置rx固定为0和K2，以便将黑/白键1a/1b保持在目标停止点KX或基准点K2处。当黑/白键1a/1b超过基准点K2时，正规化的键位置yx被改变为X2，使得朝着目标停止点KX向下用力推黑/白键1a/1b。另一方面，当黑/白键1a/1b进入目标停止点KX下方的区域时，正规化的键位置yx被改变为X1，使得朝着目标停止点KX向上用力推黑/白键1a/1b。在时刻t1和时刻t2之间，将正规化的键位置yx从X1改变为X2，并且反之亦然，并且，也是在时刻t1和时刻t2之间，目标键位置rx和目标键速度rv被固定为K2和0。这样，控制器8将黑/白键1a/1b保持在目标停止点KX附近。

如在图9A中看到的那样，实际键位置yk在X1和X2之间的狭窄范围内轻微地波动。然而，波动范围可以忽略。因此，控制器8将黑/白键Ia/1b停止在目标停止点KX处。

控制器8在时刻t2重新开始随时间变化的目标键速度rv和目标键位置rx，使得黑/白键1a/1b返回静止位置R。

图9B示出了在结合相关技术描述的现有技术伺服控制技术的控制下的基准键轨迹rx’和实际键轨迹yk’。现有技术伺服控制环在以下方面与图5示出的伺服控制环不同。第一，在现有技术伺服控制环中，不进行图6示出的正规化。第二，分别将未被正规化的实际键位置和实际键速度直接与目标键位置和目标键速度进行比较，以便独立确定位置偏差和速度偏差。分别将位置偏差和速度偏差放大或相乘，并将乘积彼此相加。和数指示驱动信号的占空比。

如图9B所示，尽管在时刻t1和时刻t2之间目标键速度rv’和目标键位置rx’被固定为0和K2，但是因为由于耦接到键传感器的放大器的暗电流和偏移电压的波动而变化的当前键位置和当前键速度的影响，黑/白键1a/1b仍然向终点位置移动。

如将从前面的描述意识到的那样，控制器8根据实际键轨迹上的当前键位置，改变在小于目标停止点的值Xn和大于该目标停止点的值Xn+1之间的正规化的键位置，使得电磁控制的键致动器6将与键运动方向相反的力施加在黑/白键1a/1b上。黑键和白键1a/1b被强迫停留在目标停止点KX两侧的狭窄区域中。因此，控制器8实现了停-走键运动。

第二实施例

图10示出了在另一自动演奏器钢琴中采用的伺服控制环。该自动演奏器钢琴主要包括原声钢琴100A和电气系统200A。原声钢琴100A在结构上与原声100相似，并且用指定原声钢琴100的对应组成部件的标号来标注原声钢琴100A的组成部件，而不进行详细描述。

电气系统200A形成用于黑/白键1a/1b的伺服控制环。尽管图10示出的伺服控制环与图5示出的伺服控制环相似，但是分别用功能块50’和加法器59来替换功能块50和加法器55，并且另一加法器60连接在放大器58和脉冲宽度调制器45之间。

功能块50’将代表偏置电流的常数ru提供给加法器59。作为示例，制造商可以考虑到由于克服活塞运动的摩擦而导致的推力损失来确定偏置电流的幅度。将常数ru加到加数rue上。将和数(ru+rue)作为修正的偏置分量ruc提供给加法器60。另一方面，直接将目标键速度rv与实际键速度yv进行比较，并将差作为速度偏差ev提供给放大器58。将速度差ev乘以恒定增益Kv，并将乘积uv提供给加法器60。将乘积uv加到修正的偏置分量ruc上，并将和数作为驱动信号ui的目标占空比提供给脉冲宽度调制器45。

当在基准键轨迹上将目标键速度rv改变为0时，电气系统200A通过伺服控制环再现停-走键运动。在伺服控制中，将位置偏差ex乘以不等于0的可变增益Kx，并将乘积rue加到常数ru上，并且，将和数作为修正的偏置分量ruc提供给加法器60。由于与图6示出的伺服控制环的正规化类似地将计数器51的输出正规化，因此键盘1的黑键和白键1a/1b在目标停止点周围轻微地摆动，并且用户看到黑键和白键1a/1b，好像它们将其自己保持在目标停止点处一样。

另一方面，当功能块50’将目标键速度rv保持为不等于0时，电气系统200A再现连续键运动。可变增益Kx为0，使得相乘结果为0。将常数ru作为修正的偏置分量ruc提供给加法器60。这样，从驱动信号ui的占空比中消除了位置差ex的影响。

如将理解的那样，在自动演奏中，实现第二实施例的自动演奏器钢琴再现了停-走键运动。

第三实施例

图11示出了存储在控制器中的当前键位置yd’、计数器的输出yxd’和正规化的键位置yx’之间的关系，所述控制器被合并在用于实施本发明的自动演奏器钢琴的电气系统中。

实现第三实施例的自动演奏器钢琴也包括原声钢琴和电气系统。该原声钢琴在结构上与原声钢琴100相似，并且该电气系统具有与电气系统200的系统配置相似的系统配置。出于此原因，为简单起见，省略对原声钢琴和系统配置的描述。

如在图11中看到的那样，在相同的键行程值处分别确定基准点K1、K2、K3和K4，并且输出yxd’在0和4之间变化。然而，与正规化的键位置yx不同，正规化的键位置yx’与计数器的输出yxd’相关。

详细地讲，当输出yxd’为0时，当前键位置yd’被正规化为2.1毫米。将两个正规化的键位置X10和X12分配给与值为1的输出yxd’相对应的区域，并且X10和X12分别等于3.3毫米和3.9毫米的键行程。类似地，将两个正规化的键位置X21和X23分配给与值为2的输出yxd’相对应的区域，并且X21和X23分别等于5.1毫米和5.7毫米的键行程。将两个正规化的键位置X32和X34分配给与值为3的输出yxd’相对应的区域，并且X32和X34分别等于6.9毫米和7.5毫米的键行程。然而，仅将一个正规化的键位置X43分配给与值为4的输出yxd’相对应的区域，并且X43等于8.7毫米的键行程。

将每个区域的两个正规化的键位置X10/X12、X21/X23、X32/X34有选择地提供给比较器53。当黑/白键1a/1b超过从与值为0、1或2的输出yxd’相对应的区域到与值为1、2或3的输出yxd’相对应的区域的基准点K1、K2或K3时，将正规化的键位置X10、X21或X32提供给比较器53。另一方面，当黑/白键1a/1b超过从与值为4、3或2的输出yxd’相对应的区域到与值为3、2或1的输出yxd’相对应的区域的基准点K4、K3或K2时，将正规化的键位置X34、X23或X12提供给比较器53.

从伺服控制环使黑键和白键1a/1b被限制在目标停止点周围的更狭窄的范围中的观点来看，成对的正规化的键位置X10/X12、X21/X23和X32/X34是理想的。由于正规化的键位置yxd’和目标停止点KX之间的距离小于正规化的键位置yxd和目标停止点KX之间的距离，因此克服键运动的力小于在第一实施例中施加在黑键和白键1a/1b上的力，使得黑键和白键1a/1b较轻地摆动。

如将从前面的描述认识到的那样，在将黑/白键保持在目标停止点处的所述时间周期内，将当前键位置yd/yd’正规化为与目标停止点KX的值不同的值。伺服控制环将相反的力施加在超过目标停止点的活塞上，使得黑键和白键看起来停止在目标停止点处。当伺服控制环再现连续键运动时，正规化的键位置和目标键位置之间的位置偏差被最小化为0，并且通过速度伺服控制强迫黑键和白键1a/1b在基准键轨迹上行进。因此，电气系统不仅可以再现连续键运动，还可以再现停-走键运动。

当黑键和白键1a/1b在目标停止点之间的区域中行进时，活塞始终向前推动黑/白键1a/1b向目标停止点前进。即使黑键和白键1a/1b在瞬间超过目标键位置，伺服控制环也不会刹住黑键和白键1a/1b，只要当前键位置在目标停止点之前即可。然而，现有技术伺服控制环根据整个键轨迹上的当前键位置和目标键位置之间的相对关系来使黑键和白键加速和减速。当由于暗电流的波动而导致的噪声分量意想不到地变化时，该噪声分量使现有技术伺服控制扰动。另一方面，伺服控制环通过正规化来吸收掉(take up)噪声分量，并且不受暗电流波动的影响。

第四实施例

转到图12，伺服控制环SCTd被合并在实施本发明的另一自动演奏器钢琴中。实现第四实施例的自动演奏器钢琴也包括原声钢琴和电气系统，除了键位置传感器25d和寄存器51d以外，所述原声钢琴和电气系统与第一实施例的原声钢琴和电气系统相似。出于此原因，将描述集中在这些不同的组成部件25d和51d上，并用指定第一实施例的对应组成部件的标号来标注其它组成部件，而不进行详细描述。

键位置传感器25d的每一个包括遮光板25da以及多个光耦合器25db和25dc。遮光板25da被固定到相关联的黑/白键1a/1b的下表面，并与相关联的黑/白键1a/1b一起移动。遮光板25da被形成为具有窗25dd。窗25dd具有左侧部分和右侧部分，并且左侧部分比右侧部分长。左光耦合器25db与左侧部分的轨迹对齐，并且右光耦合器25dc与右侧部分的轨迹对齐。

当黑/白键1a/1b停留在静止位置时，遮光板25da允许两个光耦合器25db和25dc跨过所述轨迹而投射光束。当黑/白键1a/1b到达第一基准点K1时，两个光束都被遮光板25da遮断。当黑/白键1a/1b进行到第二基准点K2时，左光耦合器25db再次跨过所述轨迹而投射光束，并且右光束仍然被遮断。在第三基准点K3处，遮光板25da允许两个光束经过窗25dd，并且在第四基准点K4处，遮光板25da使两个光束再次被遮断。这样，键位置传感器25d将两比特的键位置信号yd提供给控制器210，并且该两比特的二进制代码被存储在寄存器51d中。

将该二进制数正规化为如图6所示的正规化的键位置，并且在减法器53处确定位置偏差ex。其它控制序列与第一实施例的伺服控制环中的控制序列相似，并且为了避免重复而在下文中不加入进一步的描述。

实现第四实施例的自动演奏器钢琴实现了第一实施例的所有优点。此外，键位置传感器25d非常简单，使得生产成本显著减小。

尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员来说将清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

MM型速度传感器和光位置变换器不对本发明的技术范围设置任何限制。通过不同的物理现象将速度和位置转换为电信号的任何种类的速度传感器和任何种类的位置变换器均可用于电气系统200。

弦槌传感器26不是必不可少的。仅将键传感器合并在自动演奏器钢琴的电气系统中，并且从电气系统200中去除弦槌传感器26。在此实例中，在从键传感器输出的键位置数据的基础上假定弦槌与弦碰撞的最终速度和定时。

可以将计算机程序从外部程序源加载到控制器8中。另外，将计算机程序存储在外部存储单元43中，并且在接受用户指令之前将其传递给随机存取存储器42。

基准点可以少于或多于4个，并且正规化的键位置yx可以与相邻的基准点偏离不同于±0.9毫米的某个值。基准点的数目和偏离量取决于伺服控制环的分辨率。基准点越多，目标停止点的候选者越多。如果自动演奏器钢琴被设计为仅仅将黑键和白键1a/1b保持在某个键行程处的一个点上，则键轨迹仅被划分为两个区域，并且在停-走键运动中，伺服控制环将黑键和白键保持在目标停止点周围。在此实例中，仅可以为黑键和白键的每一个提供一个光耦合器，以便触发计数器。然而，因为人类在短时间周期内仅识别7+2中的差，所以基准点或者目标停止点的候选者通常等于或少于9个。

正规化的位置和目标停止点之间的距离可以根据键位置而变化。可以在非线性线上的若干点处触发计数器。另外，可以在滞后回线上找到触发点。从转变时刻起的时间滞后可以使计数器沿着滞后回线增大和减小输出。

可以利用通过速度数据yd的积分确定的位置数据来增大和减小计数器51。在此实例中，计数器可以累加由位置数据表示的键行程。

活塞传感器35可以将表示当前键位置yk的位置数据提供给计数器51。在此实例中，伺服控制不需要任何键传感器25。

可以从图5和10示出的伺服控制环中去除速度伺服控制。在此实例中，在位置偏差ex的基础上对黑键和白键1a/1b进行伺服控制。可以将表示偏置分量的常数ru从外部提供给伺服控制环。活塞传感器35可以输出活塞位置信号，而不是活塞速度信号ym。换句话说，键传感器25和活塞传感器35向控制器报告诸如例如键行程或速度的某种物理量。

还可以在伺服控制环中采用伺服加速度控制。在此实例中，将在当前速度的基础上通过微分计算的当前加速度与目标加速度相比较，并且利用增益来放大加速度偏差。将所得到的乘积加到乘积uv或u上。还可以在伺服控制环中采用伺服力控制。因此，伺服位置控制和伺服速度控制不对本发明的技术范围设置任何限制。

可以为诸如例如踏瓣的另一种类的操纵器提供本发明的伺服控制环。因此，黑键和白键1a/1b不对本发明的技术范围设置任何限制。

本发明可以与另外的产品有关。例如，可以在电子教学机中采用本发明的伺服控制技术。电子教学机指导学员在键盘上用手指弹奏。例如，电子教学机将黑键和白键的前部顺次移动到顶杆脱离弦槌的键位置之前的中间键位置。然后，学员按下黑键和白键的前部，以通过电子音调生成器产生音调。可以将电子教学机安装在练习键盘中。除了吸震器以外，练习键盘与原声钢琴相似。用吸震器来代替弦，使得弦槌与吸震器碰撞。出于此原因，学员可以练习手指弹奏而没有任何原声音调。

另一种可应用的产品是键图案的展示。作为示例，当钢琴家休息时，控制器将黑键和白键放置在使听众想象出波而没有任何音调的图案上。听众在下一次演奏之前欣赏可视图案。在此实例中，可以为该展示准备9个基准点。因此，自动演奏器钢琴不对本发明的技术范围设置任何限制。

当然，可以将自动演奏器、电子教学机和用于可视图像的控制器安装在诸如例如管乐器或打击乐器的另一种乐器中。

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充当“操纵器”，并且停-走键运动对应于“所述操纵器的停-走运动”。电磁控制的键致动器6充当“致动器”，并且驱动信号ui和基准键轨迹分别对应于“驱动信号”和“基准轨迹”。键传感器25和活塞速度传感器35充当“传感器”。因此，键位置信号yk和活塞速度信号ym对应于“信号”，并且一系列键位置值和一系列活塞速度/键速度值表示“所述操纵器在实际轨迹上的实际运动”。控制器8充当“数据处理单元”。基准键位置rx的一系列值和基准键速度rv的一系列值表示“所述操纵器在所述基准轨迹上的目标运动”，并且正规化的键速度yv和正规化的键位置yx由“已经正规化的运动数据”来表示。占空比u对应于“幅度”。图6和11示出了“正规化”，并且步骤S19和S20表示“最小化”。

静止位置R和基准点K1之间的区域、基准点K1和K2之间的区域、...以及基准点K4和终点位置E之间的区域对应于“多个区域”。当确定目标停止点KX在基准点K2时，基准点K1和K2之间的区域以及基准点K2和K3之间的区域对应于“所述多个区域中的一个”和“所述多个区域中的另一个”。

动作单元2、弦槌3、弦4和制音器5作为整体组成“音调生成器”，并且音调的音高充当“属性”。

Claims (20)

1.一种用于产生乐器(100)的操纵器(1a/1b)的至少停-走运动的自动演奏器，包括：

致动器(6)，分别被与所述操纵器(1a/1b)相关联地提供，并且响应于驱动信号(ui)，以便将力施加在相关联的操纵器(1a/1b)上，从而沿着在其上为所述停-走运动确定目标停止点(KX)的基准轨迹移动相关联的操纵器(1a/1b)；

传感器(25/35)，监控所述操纵器(1a/1b)，以产生代表运动数据的信号(yk/ym)，所述运动数据表示所述操纵器(1a/1b)在实际轨迹上的实际运动；和

数据处理单元(8)，包括

运动控制器(11)，确定表示所述操纵器(1a/1b)在所述基准轨迹上的目标运动的控制数据(rx/rv；rx/rv/ru)，并以时间间隔输出所述控制数据(rx/rv；rx/rv/ru)，和

伺服控制器(12)，连接于所述传感器(25/35)、所述运动控制器(11)和所述致动器(6)，用于对所述操纵器(1a/1b)进行伺服控制，

其特征在于，

所述伺服控制器(12)以这种方式正规化所述运动数据(yvd，yxd)，使得以与操纵器(1a/1b)向所述目标停止点(KX)前进的所述实际运动的方向相同的方向、以及以与操纵器(1a/1b)越过所述目标停止点(KX)的所述实际运动的所述方向相反的另一方向来表示所述力，并且，通过已经正规化的所述运动数据(yx/yv)和所述控制数据(rx/rv)之间的差的最小化，将所述驱动信号(ui)调整到适当的幅度值(u)。

2.如权利要求1所述的自动演奏器，其中，所述实际轨迹的每一个被划分为多个区域(R-K1/K1-K2/K3-K4/K4-E)，并且，比所述目标停止点(KX)更靠近相关联的操纵器(1a/1b)的静止位置(R)的所述多个区域中的一个、以及比所述目标停止点(KX)更远离所述静止位置(R)的所述多个区域中的另一个，被分别分配了小于表示所述目标停止点(KX)的一种物理量的基准值的所述种类物理量的值、以及大于所述基准值(KX)的所述种类物理量的另一值，从而使所述多个区域中的所述一个内的所述操纵器(1a/1b)的一个和所述多个区域中的所述另一个内的所述操纵器(1a/1b)的另一个被推动向所述目标停止点(KX)前进。

3.如权利要求2所述的自动演奏器，其中，所述种类的物理量是距所述静止位置(R)的距离。

4.如权利要求1所述的自动演奏器，其中，所述运动数据分别表示所述操纵器(1a/1b)的实际位置(yd)和所述操纵器(1a/1b)的实际速度(yvd)，并且所述控制数据分别表示所述操纵器(1a/1b)的目标位置(rx)和所述操纵器(1a/1b)的目标速度(rv)。

5.如权利要求4所述的自动演奏器，其中，所述伺服控制器(12)以这种方式正规化实际位置(yd)，使得将小于表示所述目标停止点(KX)的基准值的值、以及大于所述基准值的另一值分配给比所述目标停止点(KX)更靠近静止位置(R)的区域、以及比所述目标停止点(KX)更远离所述静止位置(R)的另一区域，从而所述驱动信号(ui)使得所述致动器(6)推动所述操纵器(1a/1b)向所述目标停止点(KX)前进。

6.如权利要求5所述的自动演奏器，其中，所述伺服控制器(12)以这种方式将所述驱动信号(ui)调整到所述幅度的所述适当值，使得将基于所述值(yx)或所述另一值(yx)和表示对应于所述目标停止点(KX)的所述目标位置(rx)的所述基准值之间的差(ex)而确定的所述实际速度(yv)和修正的目标速度(rvc)之间的差(ev)最小化。

7.如权利要求5所述的自动演奏器，其中，当所述操纵器(1a/1b)超过所述目标停止点(KX)时，将所述实际位置(yd)从所述值(yx)改变为所述另一值(yx)。

8.如权利要求7所述的自动演奏器，其中，当所述操纵器(1a/1b)超过所述目标停止点(KX)时，所述伺服控制器(12)被所述传感器(25)触发。

9.如权利要求5所述的自动演奏器，其中，所述伺服控制器(12)以这种方式将所述驱动信号(ui)调整到所述幅度的所述适当值，使得将所述实际速度(yv)和修正的目标速度(ruc)之间的差(ev)最小化，其中所述差(ev)是基于所述值(yx)或所述另一值(yx)与表示对应于所述目标停止点(KX)的所述目标位置(rx)的所述基准值之间的差(ex)和常数值(ru)之间的和数确定的。

10.一种用于通过至少停-走运动产生音调的乐器，包括：

操纵器(1a/1b)，在所述至少停-走运动中被有选择地移动，以指定要产生的音调的属性；

链接构件(2/3/4/5)，连接于所述操纵器(1a/1b)，使得所述操纵器(1a/1b)引起所述链接构件(2/3/4/5)的运动；以及

自动演奏器，用于产生所述操纵器的所述至少停-走运动，并且包括：

致动器(6)，分别被与所述操纵器(1a/1b)相关联地提供，并响应于驱动信号(ui)，以便将力施加到相关联的操纵器(1a/1b)上，从而沿着在其上确定目标停止点(KX)的基准轨迹、通过所述停-走运动来移动相关联的操纵器(1a/1b)，

传感器(25/35)，监控所述操纵器(1a/1b)，以产生代表运动数据(yxd/yvd)的信号(yk/ym)，其中所述运动数据(yxd/yvd)表示所述操纵器(1a/1b)在实际轨迹上的实际运动，和

数据处理单元(8)，具有：

运动控制器(11)，确定表示所述操纵器(1a/1b)在所述基准轨迹上的目标运动的控制数据(rx/rv；rx/rv/ru)，并以时间间隔输出所述控制数据；和

伺服控制器(12)，连接于所述传感器(25/35)、所述运动控制器(11)和所述致动器(6)，用于对所述操纵器进行伺服控制，

其特征在于，

所述伺服控制器(12)以这种方式正规化所述运动数据(yd/yvd)，使得以与操纵器(1a/1b)向所述目标停止点(KX)前进的所述实际运动的方向相同的方向、以及以与操纵器(1a/1b)越过所述目标停止点(KX)的所述实际运动的所述方向相反的另一方向来表示所述力，并且，通过已经正规化的所述运动数据(yx/yv)和所述控制数据(rx/rv；rx/rv/ru)之间的差(ev)的最小化，将所述驱动信号(ui)调整到适当的幅度值。

11.如权利要求10所述的乐器，其中，黑键(1a)和白键(1b)充当所述操纵器，并且动作单元(2)、弦槌(3)、弦(4)和制音器(5)作为整体组成所述链接构件。

12.如权利要求10所述的乐器，其中，所述运动数据分别表示所述操纵器(1a/1b)的实际位置(yd)和所述操纵器(1a/1b)的实际速度(yvd)，并且所述控制数据至少分别表示所述操纵器(1a/1b)的目标位置(rx)和所述操纵器(1a/1b)的目标速度(rv)。

13.如权利要求12所述的乐器，其中，所述伺服控制器(12)以这种方式正规化实际位置(yd)，使得将小于表示所述目标停止点(KX)的基准值的值(yx)、以及大于所述基准值的另一值(yx)分配给比所述目标停止点(KX)更靠近静止位置(R)的区域、以及比所述目标停止点(KX)更远离所述静止位置(R)的另一区域，从而所述驱动信号(ui)使得所述致动器(6)推动所述操纵器(1a/1b)向所述目标停止点(KX)前进。

14.如权利要求13所述的乐器，其中，所述伺服控制器(12)以这种方式将所述驱动信号(ui)调整到所述幅度的所述适当值，使得将所述实际速度(yv)和修正的目标速度(rvc)之间的差(ev)最小化，所述差(ev)是在所述值(yx)或所述另一值(yx)与表示对应于所述目标停止点(KX)的所述目标位置(rx)的所述基准值之间的差(ex)的基础上确定的。

15.如权利要求13所述的乐器，其中，所述伺服控制器(12)以这种方式将所述驱动信号(ui)调整到所述幅度的所述适当值，使得将所述实际速度(yv)和修正的目标速度(ruc)之间的差(ev)最小化，所述差(ev)是在所述值(yx)或所述另一值(yx)与表示对应于所述目标停止点(KX)的所述目标位置(rx)的所述基准值之间的差和常数值(ru)的和数的基础上确定的。

16.如权利要求13所述的乐器，其中，当所述操纵器(1a/1b)超过所述目标停止点(KX)时，将所述实际位置(yd)从所述值(yx)改变为所述另一值(yX)。

17.如权利要求16所述的乐器，其中，当所述操纵器(1a/1b)超过所述目标停止点(KX)时，所述伺服控制器(12)被所述传感器(25)触发。

18.如权利要求10所述的乐器，其中，所述自动演奏器还产生连续运动，在所述连续运动中，所述操纵器(1a/1b)在没有所述目标停止点(KX)的所述基准轨迹上行进。

19.如权利要求18所述的乐器，其中，所述运动数据分别表示所述操纵器(1a/1b)的所述连续运动的所述实际轨迹上的实际位置(yd)、以及所述连续运动中的实际速度(yvd)，并且所述控制数据至少分别表示所述操纵器(1a/1b)的所述连续运动的所述基准轨迹上的目标位置(rx)、以及所述连续运动中的目标速度(rv)。

20.如权利要求19所述的乐器，其中，所述伺服控制器(12)将所述目标位置(rx)和所述实际位置(yx)之间的差(ex)最小化为0，并将所述驱动信号(ui)调整到所述幅度的另一适当值，以将所述目标速度(rv)和所述实际速度(yv)之间的差(ev)最小化。

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