PL248239B1

PL248239B1 - Traktura mechatroniczna organów piszczałkowych i sposób sterowania zasilaniem silnika VCM w trakturze mechatronicznej organów piszczałkowych

Info

Publication number: PL248239B1
Application number: PL444623A
Authority: PL
Inventors: Paweł Kowol; Paweł Nowak
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2023-04-26
Filing date: 2023-04-26
Publication date: 2025-11-12
Also published as: EP4468286A1; PL444623A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia przedstawionym na rysunku jest traktura mechatroniczna organów piszczałkowych i sposób sterowania zasilaniem silnika VCM w trakturze mechatronicznej organów piszczałkowych, w której zastosowano silnik VCM.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest traktura mechatroniczna organów piszczałkowych i sposób sterowania zasilaniem silnika VCM w trakturze mechatronicznej organów piszczałkowych, w której zastosowano silnik VCM.

W instrumencie organowym dźwięk powstaje w wyniku przepływu strumienia powietrza przez piszczałkę (1). Przepływ ten jest regulowany przez zawór, w którym elementem ruchomym jest klapa (3). Klapa wraz ze sprężyną powrotną (2) znajduje się w wiatrownicy (4), w której panuje podwyższone ciśnienie powietrza generowane przez system zasilania pneumatycznego (najczęściej dmuchawa z miechem). Elementem sterującym zaworem jest klawisz (6), a systemem przekazującym sygnał sterujący z klawisza do klapy jest traktura (5). Najczęściej występującymi rodzajami traktur są: traktura mechaniczna, traktura pneumatyczna i traktura elektryczna. Traktura mechaniczna to system połączeń mechanicznych wykorzystujących cięgna, dźwignie, rolki. W trakturze pneumatycznej przekazanie sygnału z klawisza do klapy odbywa się przez system przepływu sprężonego powietrza. Traktura elektryczna do wytworzenia ruchu klapy wykorzystuje aktuator elektromagnetyczny (najczęściej elektromagnes), który jest załączany przez wyłącznik (najczęściej układ styków elektrycznych) przytwierdzony do klawisza. Obecnie przy budowie organów najczęściej wykorzystuje się traktury mechaniczną i elektryczną. Traktura mechaniczna daje możliwość pełnej kontroli dynamiki powstawania dźwięku (szybkość otwierania i zamykania klapy), przy ograniczeniu polegającym na konieczności umieszczenia stołu gry (klawiatury) bardzo blisko instrumentu. Traktura elektryczna pozwala na odsunięcie stołu gry na duże odległości od instrumentu, ale nie daje możliwości sterowania dynamiką generowanego przez organy dźwięku. Układ poruszający klapą zaworu (elektromagnes) działa dwustanowo: jest wyłączony - klapa jest zamknięta - lub włączony i wówczas klapa jest otwarta. Szybkość otwierania klapy wynika z dynamiki elektromagnesu i jest nią ograniczona.

Znany jest z opisu wynalazku PL 174978 sposób sterowania trakturą elektryczną, w której prędkość naciśnięcia klawisza (artykulacja) jest sygnałem sterującym z klawiatury dynamicznej i przetwarzana jest przez układ logiki rozmytej, który steruje aktuatorem elektromagnetycznym (elektromagnesem) otwierającym zawór piszczałki.

Opisywane są w literaturze (C. E Pykett, „Pipe organs: physics in an action”, Phys. World 15 (12) 21,2002) układy traktury z serwomechanizmami (aktuator elektromagnetyczny pracujący w pętli sprzężenia zwrotnego sygnału położenia elementu ruchomego aktuatora) jako elementami wykonawczymi - poruszającymi klapami.

Znane są z opisu wynalazku US Patent 8,198,521, 2012 układy wykonawcze dla organów piszczałkowych - elektromagnesy - sterowane proporcjonalnie, które umożliwiają uzyskanie dowolnego otwarcia klapy.

Znana jest traktura mechatroniczna (T Kądziołka, S Kowalski, T Mońko, „Pipe organ evolution. From mechanical to mechatronical subsysystems”, Journal of Engineering, Energy and Informatics 1/2021 (1), 29-42) w której aktuatorem poruszającym klapą jest silnik krokowy.

Znane jest zastosowanie w instrumentach muzycznych silników VCM (R. Oboe, „A multi-instrument, force-feedback keyboard”, Computer Music Journal, vol. 30, no. 3, pp. 38-52, 2006) w układach klawiatur dynamicznych imitujących naturalne zachowanie się instrumentu klawiszowego.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej traktury mechatronicznej, która będzie posiadała cechy traktury mechanicznej - możliwość pełnej kontroli dynamiki powstawania dźwięku tj. kontroli nad szybkością otwierania i zamykania klapy, a także jak w przypadku traktury elektrycznej pozwoli na odsunięcie stołu gry od instrumentu.

Istotą wynalazku jest traktura mechatroniczna organów piszczałkowych charakteryzująca się tym, że dla jednego dźwięku - jednego klawisza klawiatury - składa się z silnika VCM połączonego cięgnem z klapą zaworu piszczałki lub piszczałek w przypadku organów wielogłosowych, czujnika przemieszczenia klawisza, oraz układu mikroprocesorowego, który na podstawie sygnału z czujnika przemieszczenia klawisza steruje zasilaniem silnika VCM.

Istotą wynalazku jest także sposób sterowania zasilaniem silnika VCM w trakturze mechatronicznej organów piszczałkowych polegający na tym, że układ mikroprocesorowy na podstawie sygnału z czujnika przemieszczenia klawisza, będącego informacją o przemieszczeniu klawisza, określa wartość zasilania silnika VCM według wzoru:

PL 248239 Β1

Μ ΑΧ - MIN y — MIN + k-t---— ---x ^{7 1} 100 gdzie: y oznacza wartość zasilania silnika VCM (napięcia lub sygnału PWM) wyrażoną w procentach maksymalnej wartości zasilania, x oznacza wartość przemieszczenia klawisza, której odczytu dokonuje czujnik przemieszczenia klawisza i wyrażonajest w procentach maksymalnej wartości przemieszczenia klawisza, ki oznacza stałą wzmocnienia sygnału określaną podczas strojenia układu sterowania, MIN oznacza wartość zasilania VCM wyznaczoną pomiarowo i odczytaną z charakterystyki otwarcia klapy, odpowiadającą w procesie otwierania klapy maksymalnej wartości zasilania VCM przy klapie zamkniętej lub w procesie zamykania klapy maksymalnej wartości zasilania VCM dla zamkniętej klapy, ΜΑΧ oznacza wartość zasilania VCM wyznaczoną pomiarowo i odczytaną z charakterystyki otwarcia klapy, odpowiadającą w procesie otwierania klapy minimalnej wartości zasilania VCM przy klapie w pełni otwartej lub w procesie zamykania klapy minimalnej wartości zasilania VCM dla klapy w pełni otwartej, przy czym zmiana wartości MIN i ΜΑΧ dla zmian procesów otwierania i zamykania klapy następuje po przemieszczeniu klawisza równego lub większego od 75% maksymalnego przemieszczenia klawisza oraz po czasie odpowiadającym otwarciu klapy w 50% pełnego otwarcia wyznaczonego z charakterystyki dynamicznej otwarcia klapy przy wymuszeniu skokowym zasilania VCM, a liczonym od momentu rozpoczęcia procesu otwierania klapy.

Wynalazek został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ generacji dźwięku w organach piszczałkowych, fig. 2 trakturę mechatroniczną, fig. 3 charakterystykę otwarcia klapy w funkcji zasilania silnika VCM poruszającego klapą, fig. 4 dynamiczny otwarcia klapy na skutek skokowego wymuszenia zasilania silnika VCM.

Przykład

Traktura mechatroniczna dzięki swojej budowie i sposobowi sterowania zasilaniem silników VCM daje możliwość pełnej kontroli dynamiki powstawania dźwięku, to znaczy klapy zaworów piszczałek otwierają się zgodnie z przemieszczanymi - naciskanymi przez organistę - klawiszami.

Przedmiotem wynalazku jest stosowana w organach piszczałkowych traktura mechatroniczna, składająca się z (dla jednego dźwięku - jednego klawisza (12) klawiatury): silnika VCM (9) połączonego cięgnem (10) z klapą (8) zaworu piszczałki (7) lub piszczałek w przypadku organów wielogłosowych, czujnika przemieszczenia klawisza (11), oraz układu mikroprocesorowego (13), który na podstawie sygnału z czujnika przemieszczenia klawisza (11) steruje zasilaniem silnika VCM (9).

Sposób sterowania zasilaniem silników VCM odbywa się na podstawie parametrów wyznaczonych na drodze pomiarowej z: charakterystyki otwarcia klapy w funkcji zasilania silnika VCM poruszającego klapą (Fig. 3) oraz przebiegu dynamicznego otwarcia klapy na skutek skokowego wymuszenia zasilania silnika VCM (Fig. 4).

W procesie otwierania klapy istnieje graniczna - maksymalna-wartość Ą zasilania silników VCM, dla której klapa pozostaje zamknięta - gdzie wartość zasilania oznacza napięcie lub sygnał PWM, wyrażone w procentach maksymalnej wartości zasilania. Zwiększenie wartości zasilania powyżej wartość Ą powoduje rozpoczęcie procesu otwierania klapy - silnik VCM połączony cięgnem z klapą zaczynają przemieszczać. Po przekroczeniu wartości Ą zasilania silnika VCM następuje gwałtowne zwiększenie otwarcia klapy (K)-opadnięcie klapy. Efekt ten wynika z faktu, że dopóki klapa jest zamknięta, ciśnienie powietrza w wiatrownicy dociska ją. Aby otworzyć klapę aktuator musi działać siłą większą od siły wytwarzanej przez sprężynę powrotną oraz siły wynikającej z ciśnienia powietrza w wiatrownicy. Kiedy klapa zostaje otwarta, nawet w niewielkim stopniu, strumień powietrza zaczyna płynąć do piszczałki. Ciśnienie powietrza po obu stronach klapy wyrównuje się i siła docisku klapy przez powietrze zanika. Wytwarzana przez aktuator siła powoduje wówczas skok (opadnięcie) klapy. To samo zjawisko jest odczuwane przez organistę w przypadku traktury mechanicznej jako skok klawisza (niem. Druckpunkt). Przy dalszym wzroście wartości zasilania silnika VCM następuje coraz większe otwarcie klapy aż do momentu jej całkowitego otwarcia, które następuje przy wartości B zasilania silnika VCM. Dalszy wzrost wartości zasilania silnika VCM nie powoduje żadnych zmian otwarcia klapy.

Proces zamykania klapy następuje po jej wcześniejszym otwarciu i rozpoczyna się w momencie, gdy wartość zasilania silnika VCM zmaleje poniżej wartości H, tj. minimalnej wartości zasilania silnika VCM, przy której klapa pozostaje w pełni otwarta. Dalsze zmniejszanie wartości zasilania silnika VCM powoduje coraz mniejsze otwarcie klapy, aż do momentu gdy zasilanie silnika VCM osiągnie wartość G - jest to w procesie zamykania klapy maksymalna wartości zasilania VCM dla zamkniętej klapy.

PL 248239 Β1

Przebieg dynamiczny otwarcia klapy przy skokowym wymuszenia zasilania silnika VCM daje możliwość wyznaczenia czasu DT potrzebnego do jej połowicznego otwarcia, które w trakcie normalnego otwierania klapy odpowiada opadnięciu klapy.

Sterowanie zasilaniem silników VCM w trakturze mechatronicznej odbywa się na zasadzie:

ΜΑΧ - MIN y - MIN + k,---— ---x ^{J 1} 100 gdzie:

y- wartość zasilania silnika VCM wyrażoną w procentach maksymalnej wartości zasilania, x- wartość przemieszczenia klawisza, której odczytu dokonuje czujnik przemieszczenia klawisza i wyrażona jest w procentach maksymalnej wartości przemieszczenia klawisza, ki - stała wzmocnienia sygnału określaną podczas strojenia układu sterowania,

MIN - wartość zasilania VCM odpowiadająca w procesie otwierania klapy maksymalnej wartości zasilania VCM przy klapie zamkniętej (Ą) lub w procesie zamykania klapy maksymalnej wartości zasilania VCM dla zamkniętej klapy (G),

ΜΑΧ - wartość zasilania VCM odpowiadająca w procesie otwierania klapy minimalnej wartości zasilania VCM przy klapie w pełni otwartej (B) lub w procesie zamykania klapy minimalnej wartości zasilania VCM dla klapy w pełni otwartej (H).

Zmiana wartości MIN i ΜΑΧ dla zmian procesów otwierania i zamykania klapy następuje po przemieszczeniu klawisza równego lub większego od 75% maksymalnego przemieszczenia klawisza oraz po czasie DT odpowiadającym otwarciu klapy w 50% pełnego otwarcia dla dynamicznego otwarcia klapy przy wymuszeniu skokowym zasilania VCM, a liczonym od momentu procesu otwierania klapy. Oznaczenia na rysunku: 1 - piszczałka organowa, 2 - sprężyna powrotna, 3 - klapa zaworu, 4 - wiatrownica 5 - traktura, 6 - klawisz, 7 - piszczałka, 8 - klapa zaworu, 9 - silnik VCM, 10 - cięgno, 11 - czujnik przemieszczenia klawisza, 12 - klawisz, 13 - układ mikroprocesorowy.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Traktura mechatroniczna organów piszczałkowych, znamienna tym, że dla jednego dźwięku -jednego klawisza (12) klawiatury - składa się z silnika VCM (9) połączonego cięgnem (10) z klapą (8) zaworu piszczałki (7) lub piszczałek w przypadku organów wielogłosowych, czujnika przemieszczenia klawisza (11), oraz układu mikroprocesorowego (13), który na podstawie sygnału z czujnika przemieszczenia klawisza (11) steruje zasilaniem silnika VCM (9).
2. Sposób sterowania zasilaniem silnika VCM w trakturze mechatronicznej organów piszczałkowych, znamienny tym, że układ mikroprocesorowy na podstawie sygnału z czujnika przemieszczenia klawisza, będącego informacją o przemieszczeniu klawisza, określa wartość zasilania silnika VCM według wzoru:

ΜΑΧ - MIN y — MIN + k,---——---x ^{7 1} 100 gdzie: y oznacza wartość zasilania silnika VCM (napięcia lub sygnału PWM) wyrażoną w procentach maksymalnej wartości zasilania, x oznacza wartość przemieszczenia klawisza, której odczytu dokonuje czujnik przemieszczenia klawisza i wyrażona jest w procentach maksymalnej wartości przemieszczenia klawisza, ki oznacza stałą wzmocnienia sygnału określaną podczas strojenia układu sterowania, MIN oznacza wartość zasilania VCM wyznaczoną pomiarowo i odczytaną z charakterystyki otwarcia klapy, odpowiadającą w procesie otwierania klapy maksymalnej wartości zasilania VCM przy klapie zamkniętej lub w procesie zamykania klapy maksymalnej wartości zasilania VCM dla zamkniętej klapy, MAX oznacza wartość zasilania VCM wyznaczoną pomiarowo i odczytaną z charakterystyki otwarcia klapy, odpowiadającą w procesie otwierania klapy minimalnej wartości zasilania VCM przy klapie w pełni otwartej lub w procesie zamykania klapy minimalnej wartości zasilania VCM dla klapy w pełni otwartej, przy czym zmiana wartości MIN i MAX dla zmian procesów otwierania i zamykania klapy następuje po przemieszczeniu klawisza równego lub większego od 75% maksymalnego przemieszczenia klawisza oraz po czasie odpowiadającym otwarciu klapy w 50% pełnego otwarcia wyznaczonego z charakterystyki dynamicznej otwarcia klapy przy wymuszeniu skokowym zasilania VCM, a liczonym od momentu rozpoczęcia procesu otwierania klapy.