JP3617138B2

JP3617138B2 - ペダル駆動装置

Info

Publication number: JP3617138B2
Application number: JP23874495A
Authority: JP
Inventors: 潤石井
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1995-09-18
Filing date: 1995-09-18
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JPH0981124A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、楽曲を自動的に演奏する自動演奏ピアノ等に用いて好適なペダル駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、予め記録した演奏情報（あるいは外部から供給される演奏情報）に応じた打鍵アクションやペダルアクションを発生させて自動演奏する自動演奏ピアノが各種実用化されている。
【０００３】
この種の自動演奏ピアノにおいては、ペダルを駆動制御する際に、フィードバック、フィードフォワードあるいはその両者の組み合わせが適宜用いられるが、この場合にペダルの位置や速度を各々検出する位置センサおよび速度センサが用いられる。
【０００４】
位置センサとしては、リニアエンコーダが一般に用いられる。そして、このリニアエンコーダから出力されるパルスをアップダウンカウントし、そのカウント値をペダル位置として検出することが一般的である。また、速度センサとしては、ペダル速度に対応した信号を出力し得るムービングマグネット型のセンサが用いられることが多い。
【０００５】
ところで、ムービングマグネット型のセンサは、高価であり、かつノイズに弱いという問題がある。一方、リニアエンコーダは安価であるから、これを用いて速度を検出するという方法が考えられる。すなわち、リニアエンコーダの出力パルスの間隔を計測すれば、速度情報として使用することができるから、速度センサとしても兼用することが考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リニアエンコーダを用いた場合は、速度が早いときは良好に速度検出ができるが、速度が遅いときには検出遅れが著しくなってしまう。これは、パルスの出力間隔に基づいて速度検出を行う以上、次のパルスが出力されなければ、その時点の速度が求められないからである。
また、リニアエンコーダを用いた速度検出は、２つのパルスが出力される間の平均速度となるため、ペダルの移動速度が遅くパルス間隔が長いと、検出結果が瞬時速度とならず、制御が不安定になるという問題が生じる。
【０００７】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、安価なパルスエンコーダ等を用いて、瞬時速度の検出を行うことができるとともに、速度が遅い場合でも検出の遅延が生じないペダル速度検出装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明においては、駆動信号に対応する速度でペダルを駆動する駆動装置と、この駆動装置に前記駆動信号を供給して前記ペダルの移動を制御する制御部とを有するペダル駆動装置において、前記ペダルの位置に対応した位置情報を出力する位置情報出力手段と、前記位置情報の変化に基づいて第１の速度情報を算出する第１速度情報算出手段と、前記位置情報および前記駆動信号に基づいて第２の速度情報を算出する第２速度情報算出手段と、前記ペダルの速度の変化量に応じて前記第１の速度情報および前記第２の速度情報の混合割合を変化させ、第３の速度情報を生成するクロスオーバー手段とを具備し、前記第３の速度情報を用いて速度フィーバックループを構成することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明においては、前記クロスオーバー手段は、前記ペダルの速度の変化量が小さい領域においては前記第２の速度情報の割合を多くし、前記ペダルの速度の変化量が大きい領域においては前記第１の速度情報の割合を多くすることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明によれば、前記クロスオーバー手段は、前記ペダルの速度の変化量が小さい領域においては前記第２の速度情報だけを使用し、前記ペダルの速度の変化量が大きい領域においては前記第１の速度情報だけを使用して、前記第３の速度情報を生成することを特徴とする。
【００１１】
（作用）
請求項１乃至３に記載の発明においては、第１、第２の速度情報のうちより正確で検出遅れのない方の割合を多くして（１００％を含む）、第３の速度情報を生成することができるので、ペダル速度を高精度に検出することができる。そして、第３の速度情報を用いて速度フィードバックループが構成されるので、全領域にわたって的確なペダル制御が行える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
Ａ：実施形態におけるモデリング
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。始めに、この実施形態においては、ペダル駆動系をモデル化して取り扱っているので、このモデル化について説明する。
【００１３】
図２は、ペダルの駆動系の概略を示す側面図である。図において、３１ａはペダルであり、ロッド３２ａを介してソレノイド３０ａのプランジャ３０ａｐに接続されている。また、３５ａは、ソレノイド３０ａｐの位置を検出する位置センサである。このような構成においては、ソレノイド３０ａが励磁されると、その電流値に応じてプランジャ３０ａｐおよびロッド３２ａが上昇する。そして、プランジャ３０ａｐが上昇すると、レバー４０が支点４１を中心に回動し、ロッド４２を押し上げる。ロッド４２が押し上げられると、レバー４３が支点４４を中心に回動しダンパーワイヤ４５を押し上げる。ダンパーワイヤー４５が押し上げられると、ダンパーヘッド４６が上昇して弦４７から離れた状態になる。一方、ソレノイド３０ａが非励磁状態になると、上述とは逆の動作によってダンパーヘッド４６が下降し、弦４７に接した状態になる。
【００１４】
以上がペダル駆動系の概略であり、図３は、このペダル駆動系を力学的にモデル化した際の概念図である。この図３に示すｘ軸は、ソレノイドが励磁されたときのロッド３２ａの駆動方向（ペダルを踏み込んだときの移動方向と同じ）である。また、ｆ（ｔ）は推力の時間関数であり、ペダル３１ａを駆動するソレノイド３０ａの力である。Ｍ_Ｓ、Ｍ_Ｄは、各々ペダル装置全体の静的重量および慣性質量であり、μは粘性抵抗である。ここで、ｋをペダル装置のバネ定数とし、ｘ（ｔ）をロッド３２ａの変位の時間関数とすると、ペダルに加わっている力に関する運動方程式は、
【００１５】
【数１】

となり、これをラプラス変換して次式を得る。
【００１６】
【数２】

ここで、初期値としてｘ（０^＋）＝０、ｘ´（０^＋）＝０とおくと、
【００１７】
【数３】

となる。そして、数３をブロック図で表すと、図４に示すようになる。以上がこの実施形態におけるペダル駆動系のモデルであり、図４に示す伝達関数を有していることが分かる。
【００１８】
Ｂ：実施形態の構成
次に、図１はこの発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、２は位置目標信号Ｘ_Ｒからフィードバック位置信号Ｆｓ（後述する）を減算する減算器である。４は減算器２の出力に位置ゲインＫｐを乗算する乗算器である。５は減算器であり、乗算器４の出力からフィードバック速度信号Ｆｖ（後述する）を減算して出力する。６はペダル駆動系の静止質量に相当する力Ｍｓ・ｇを加算器５の出力にオフセットする加算器である。７は乗算器であり、加算器６の出力にスケールファクタ１／Ｋ_Ｆを乗算して駆動電流制御信号Ｉ_Ｒを発生する。８はこの駆動電流制御信号Ｉ_Ｒに応じてソレノイド３０ａを駆動するドライバである。
【００１９】
次に、ドライバ８から出力される駆動電流Ｉ^＊は、図１に示すようにソレノイド３０ａに供給され、これによって発生する推力Ｆ（ｔ）はペダル駆動機構（物理モデル１１）に伝達される。図に示す物理モデル１１は、本実施形態においてモデル化したペダル駆動機構であり、その伝達関数は図４において示したとおりである。
【００２０】
ペダル駆動機構には、図２に示すように、前述のようにペダルの位置を検出するための位置センサ３５ａが組み込まれている。この場合、位置センサ３５ａは、リニアエンコーダによって構成されており、ペダルの変位に応じた数のパルスが出力される。
なお、リニアエンコーダに換えて、ペダルの移動に応じて軸が回転するロータリーエンコーダを用いてもよく、その他のセンサを用いてもよい。要は、ペダル位置に対応した信号が取り出せる構成であればよい。
【００２１】
さて、位置センサ３５ａから出力されるパルス列は、位置信号Ｘ^＊（ｓ）として、速度検出部１２およびアップダウンカウンタ１５に供給される。そして、位置センサ３５ａから出力されるパルス列の位置信号Ｘ^＊（ｓ）は、アップダウンカウンタ１５においてアップダウンカウントされペダル位置を示すフィードバック位置信号Ｆｓ（複数ビットのディジタル信号）に変換され、減算器２に帰還される。これにより、位置フィードバックループが構成される。なお、アップダウンカウンタ１５における入出力関係は、無駄時間がないため、制御における伝達関数は「１」である。ただし、このようにみなすためには、位置センサ３５ａの分解能が無視できる程に小さく、また、回路各部のサンプリング周波数が充分に小さいことが必要である。
【００２２】
▲１▼速度検出部１２の構成
次に、本実施形態の重要な要素である速度検出部１２および速度推定部１４について説明するが、始めに速度検出部１２について説明する。
まず、速度検出部１２は、位置信号Ｘ^＊（ｓ）に基づいて速度信号Ｖ^＊を発生する回路であり、位置信号Ｘ^＊（ｓ）中のパルスの間隔を測定し、この測定期間からペダル速度信号Ｖ^＊を求める。
【００２３】
さて、図５（イ）に示す曲線Ｖａは、ペダルの変位を示しており、同図（ロ）は位置センサ３５ａから出力されるパルスを示している。ここで、時刻Ｔ_１、Ｔ_２間の速度測定について考察する。これらの時間間隔（Ｔ_２−Ｔ_１）に基づいて測定した速度は、等加速度運動であるとみなすと、Ｔ_１，Ｔ_２間の平均速度であり、これを［Ｖ］で表し、各時刻Ｔ_１、Ｔ_２における速度を各々Ｖ_１、Ｖ_２とすると、
［Ｖ］＝（Ｖ_１＋Ｖ_２）／２
となる。ここで、１測定区間について、
（Ｔ_１，Ｖ_１）、（Ｔ_２，Ｖ_２）の２点を通る速度直線は、
ｖ＝（（Ｖ_２−Ｖ_１）／（Ｔ_２−Ｔ_１））・（ｔ−Ｔ_１）＋Ｖ_１
となる。ここで、Ｖ_２−Ｖ_１＝△Ｖ（この場合の＝は、合同を意味する）、およびＴ_２−Ｔ_１＝τ_１とすると、
ｖ＝（△Ｖ／τ_１）・（ｔ−Ｔ_１）＋Ｖ_１
となる。この直線において、平均速度を［Ｖ］，［Ｖ］になる時刻をＴとするならば、速度が［Ｖ］になる時刻Ｔは、次のようにして求められる。
【００２４】

ここで、平均速度［Ｖ］に対応する時刻Ｔと、実際にその値が出力される時刻との遅れについて考える。まず、平均速度［Ｖ］が出力されるのは、その演算がされた後であるが、演算時間は無視することができるので、時刻Ｔ２において出力されるとすることができる。なお、図５（イ）に示す折線ｖ^＊は、速度演算の出力を示している。
【００２５】
そして、時刻Ｔと時刻Ｔ_２との間の遅れ時間は、

となる。
【００２６】
ここで、ホールド時間をτ_２とすれば、速度センサはτ_１／２なる遅れを持つ無駄時間系と、τ_２なるホールド時間を持つ零次ホールド系で構成されているとみなすことができるので、全体の伝達関数Ｇｏ（ｓ）は、次式のように表される。
【００２７】
【数４】

ここで、図６は速度検出部１２の機能ブロック図であり、図において１２ａは、パルスの出力間隔からその間の平均速度を算出する機能を示している。１２ｂは、位置センサ３５ａの出力パルスの間隔から速度を検出する場合の無駄時間特性を示している。また、１２ｃは、パルス間隔から速度を算出する際のホールド特性を示している。
【００２８】
▲２▼速度推定部１４の構成
次に、図１に示す１４は、速度推定部であり、アップダウンカウンタ１５が出力する位置信号Ｆｓとドライバ８が出力する駆動電流Ｉ^＊との値に基づいて速度信号Ｖｃを作成し、これと速度検出部１２から供給される速度信号Ｖ^＊とから速度信号Ｖ＾を生成する。ここで、図７は速度推定部１４の概略構成を示すブロック図であり、１４ａが速度信号Ｖｃを作成する速度計算部、１４ｂが速度信号ＶｃとＶ^＊から速度信号Ｖ＾を作成するクロスオーバーネットワークである。
【００２９】
ここで、速度計算部１４ａにおける演算原理について説明する。まず、ソレノイドの駆動電流Ｉ^＊から、速度信号Ｖｃを求める原理について説明する。ペダルの物理モデルを一般的な２次遅れ系と考えると、その伝達関数は、数５に示す通りとなる。
【００３０】
【数５】

ところで、求めたい値は、Ｖｃであり、これをラプラス表記するとＶｃ（ｓ）となるから、数５の両辺にＳを掛け、また、Ｓ・Ｘ（ｓ）＝Ｖｃ（ｓ）であることに着目すると、数５は、次に示す数６および数７のように順次変形される。
【００３１】
【数６】

【００３２】
【数７】

そして、ペダル機構の静止重量を加味し、駆動電流Ｉ^＊（ｓ）を用いてＦ（ｓ）を計算すると、数８に示すとおりになる。
【００３３】
【数８】

そして、数８を数７に代入して整理すると、数９になる。
【００３４】
【数９】

数９に示す演算を機能ブロック図で表すと、図８に示すブロック図となる。すなわち、図８に示される機能ブロック図は、速度計算部１４ａの演算原理を示す。
【００３５】
次に、機能ブロック図を順次変形させると、図９の（イ）→（ロ）→（ハ）→（ニ）のようになる。そして、図９（ニ）において、最内周のループに着目すると、このループの伝達関数は、
（１／Ｍ_Ｄ）／（Ｓ＋μ／Ｍ_Ｄ）
と表すことができる。すなわち、このループは、（μ／Ｍ_Ｄ）なる遮断角周波数を持つローパスフィルタに他ならない。
【００３６】
ここで、ペダル駆動機構系について考えると、μ《Ｍ_Ｄと考えられ、更に、後述するクロスオーバーネットワーク１４ｂにおけるＬ成分をμ《Ｌとなるように設定すれば、μを無視することによる影響は殆どないと考えられる。したがって、図９（ニ）に示す機能ブロック図は、図１０に示すように書き換えることができる。さらに、アップダウンカウンタ１５（図１参照）から位置実測値Ｆｓが得られ、しかも、この値は速度と異なり、ほとんど時間遅れ等を含んでいないと考えられるので、
Ｘｃ＝Ｆｓ
と考えることができる。したがって、Ｆｓ・ｋを加減算点に減算信号として加え、（１／Ｓ^２）・Ｓを１／Ｓとしてまとめれば、図１０に示す機能ブロック図は、図１１に示すように書き換えることができる。すなわち、速度計算部１４ａは、駆動電流Ｉ^＊とペダルの実測位置信号Ｆｓに基づいて、ペダル速度を計算する。
【００３７】
次に、クロスオーバーネットワーク１４ｂについて説明する。このクロスオーバーネットワーク１４ｂは、速度検出部１２が出力する実測の速度信号Ｖ^＊の時間遅れを補償するために、ペダル速度の周波数成分の高域側については、駆動電流Ｉ^＊に基づく速度である速度計算部１４ａの計算速度信号Ｖｃを採用するようにしている。より詳細に言えば、図１２に示すようなクロスオーバー特性を持たせ、高域では計算速度である信号Ｖｃを優先させ、低域では実測速度である速度信号Ｖ^＊を優先させている。
すなわち、立ち上がり時などのように、ペダル速度に含まれる高調波成分が多いとき（ペダルの単位時間当たりの速度変化が大きいとき）は、実測速度である速度信号Ｖ^＊の遅れが問題となるため、計算速度信号Ｖｃの割合を多くして高精度化を図り、逆に、ペダル速度に含まれる高調波成分が少ないとき（ペダルの単位時間当たりの速度変化が小さく、安定しているとき）は、計算速度信号Ｖｃの誤差が問題となるため、実測速度信号Ｖ^＊の割合を多くして高精度化を図っている。
【００３８】
クロスオーバーネットワーク１４ｂは、図１２に示す特性を実現するために、ローパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせた構成になっている。図１３（イ）はその基本的な構成例である。この図に示すように、計算速度信号Ｖｃは、ハイパスフィルタを通過し、実測速度信号Ｖ_＊はローパスフィルタを通過する。そして、両信号は、フィルタを通過した後に加算され、速度信号Ｖ＾となる。この場合、ペダル速度の変化が大きいときには、計算速度信号Ｖｃにも、実測速度信号Ｖ^＊にも高調波成分が多く含まれることになるが、前者がハイパスフィルタを通過し、また、後者がローパスフィルタを通過するので、結果的に速度信号Ｖ＾には計算速度信号Ｖｃの割合が多くなる。一方、ペダル速度の変化が小さいときには、計算速度Ｖｃにも実測速度信号Ｖ_＊にも高調波成分があまり含まれないので、速度信号Ｖ＾には、実測速度信号Ｖ_＊の割合が大きくなる。
さて、図１３（イ）に示す構成を同図（ロ）→（ハ）→（ニ）→（ホ）という順で変形させて行くと、最終的には同図（ヘ）の構成が得られる。なお、図１３において、Ｓはｊωを示し、Ｌは図１２のＬを示す。
【００３９】
したがって、速度推定部１４の全体構成は、図１４に示すようになり、この構成を更に簡略化すると、図１５に示す構成が得られる。すなわち、図１５が速度推定部１４の全体構成を示す機能ブロック図である。
【００４０】
次に、図１に示す１３は乗算器であり、速度信号Ｖ＾に速度ゲインＫｖを乗算し、これを前述したフィードバック速度信号Ｆｖとして減算器５に帰還させて速度フィードバックループを構成する。
【００４１】
ここで、速度フィードバックループの機能について説明する。今、図１６（ａ）に示すように、あるタイミングで位置目標信号Ｘ_Ｒが与えられると、センサ３５ａから得られるフィードバック位置信号Ｆｓは位置目標信号Ｘ_Ｒに漸近する。この結果、位置目標信号Ｘ_Ｒとフィードバック位置信号Ｆｓとから得られる位置誤差信号ＥＲは、同図に示すように変化する。一方、減算器５は、位置誤差信号ＥＲに対応する値からフィードバック速度信号Ｆｖを減算するので、同図（ｃ）に示す出力信号を得る。ここで、速度フィードバックループに着目すると、フィードバック速度信号Ｆｖは、位置誤差信号ＥＲによるソレノイドの駆動力を抑制する働きをする。すなわち、位置誤差信号ＥＲのみに基づいてソレノイドを駆動するとソレノイドが急激に反応してしまい系が安定しないが、速度フィードバックを用いるとソレノイドの反応が抑制され、系が安定方向に導かれる。
ここで、図１に示すブロック図において、速度フィードバックだけを抽出すると、図１７に示すブロック図となる。さて、入力をＶ_Ｒ（ｓ）、出力をＸ（ｓ）とすると、伝達関数は、次式に示すようになる。
【数１０】

そして、数１０と物理モデル１１の伝達関数とを比較すると、μに対応する係数が（μ＋Ｋｖ）に変化し、他の項については変化がないことが判る。これは他のパラメータ（Ｍ_Ｄ、ｋ）は一切変えず、Ｋｖだけを変えることで、粘性係数のみを増減させ得ることを意味する。すなわち、見かけ上ペダルの粘性抵抗を（μ＋Ｋｖ）にし、Ｋｖによってその値を任意に変えることができる。
【００４２】
Ｃ：実施形態効果
本実施形態においては、位置フィードバックと速度フィードバックの２つのフィードバックループによってペダル駆動制御を行い、フィードフォワードを用いていないので、制御系の構成が複雑にならないという効果が得られる。さらに、位置フィードバックを有することにより、高精度の制御が可能になる。
【００４３】
Ｄ：変形例
▲１▼上述した実施形態においては、所定のクロスオーバー特性に従って速度信号Ｖｃと速度信号Ｖ^＊とを混合したが、これに代えて、単位時間当たりの速度変化が所定以上であるか否かに応じて、速度信号ＶｃとＶ^＊とを切り換えてもよい。
【００４４】
▲２▼実施形態においては、位置センサとしてインクリメント型のエンコーダを用いたが、これに代えて、アブソリュート型のエンコーダを用いてもよい。この場合においては、エンコーダの出力値が変化する間隔から速度を求めればよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ペダルの速度を高精度に検出することができ、しかも、ペダル位置センサとして安価なパルスエンコーダを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による一実施形態の構成を示す制御ブロック図である。
【図２】同実施形態において制御対象とするペダル駆動系の概略構成図である。
【図３】同実施形態におけるペダル駆動系のモデル化を示す概念図である
。
【図４】同実施形態におけるペダル駆動系のモデルの伝達関数を示すブロック図である。
【図５】同実施形態における要部の波形例を示す波形図である。
【図６】同実施形態における速度検出部１２の機能ブロック図である。
【図７】同実施形態における速度推定部１４の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示す速度計算部１４ａの演算原理を説明するための機能ブロック図である。
【図９】図８に示す機能ブロック図の変形を示す図である。
【図１０】図９に示す機能ブロック図の変形を示す図である。
【図１１】図１０に示す機能ブロック図の変形を示す図である。
【図１２】クロスオーバーネットワーク１４ｂの特性を示す特性図である。
【図１３】クロスオーバーネットワーク１４ｂの機能ブロック図の変形を示す図である。
【図１４】速度推定部１４の機能ブロック図である。
【図１５】図１４に示す機能ブロック図の変形を示す図である。
【図１６】同実施形態における速度フィードバックループの機能を説明するためのタイミングチャートである。
【図１７】同実施形態における速度フィードバックを抽出したブロック図である。
【符号の説明】
５…減算器（速度フィードバックループ）、８…ドライバ（駆動手段）、１１…ペダル物理モデル、１２…速度検出部（第１速度情報算出手段）、１４ａ……速度計算部第２速度情報算出手段）、１４ｂ……クロスオーバーネットワーク（クロスオーバー手段）、３０ａ…ソレノイド（駆動装置）。

Claims

駆動信号に対応する速度でペダルを駆動する駆動装置と、この駆動装置に前記駆動信号を供給して前記ペダルの移動を制御する制御部とを有するペダル駆動装置において、
前記ペダルの位置に対応した位置情報を出力する位置情報出力手段と、
前記位置情報の変化に基づいて第１の速度情報を算出する第１速度情報算出手段と、
前記位置情報および前記駆動信号に基づいて第２の速度情報を算出する第２速度情報算出手段と、
前記ペダルの速度の変化量に応じて前記第１の速度情報および前記第２の速度情報の混合割合を変化させ、第３の速度情報を生成するクロスオーバー手段と
を具備し、前記第３の速度情報を用いて速度フィーバックループを構成することを特徴とするペダル駆動装置。
前記クロスオーバー手段は、前記ペダルの速度の変化量が小さい領域においては前記第２の速度情報の割合を多くし、前記ペダルの速度の変化量が大きい領域においては前記第１の速度情報の割合を多くすることを特徴とする請求項１記載のペダル駆動装置。
前記クロスオーバー手段は、前記ペダルの速度の変化量が小さい領域においては前記第２の速度情報だけを使用し、前記ペダルの速度の変化量が大きい領域においては前記第１の速度情報だけを使用して、前記第３の速度情報を生成することを特徴とする請求項１記載のペダル駆動装置。