自动演奏键盘乐器的制作方法

专利名称：自动演奏键盘乐器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动演奏钢琴，更具体地说是涉及一种具有记录系统和自动演奏系统的自动演奏钢琴。
背景技术：
自动演奏钢琴是声学钢琴、记录系统和自动演奏系统的组合体。记录系统和自动演奏系统被安装在声学钢琴内，并且通过使用者的指令来选择性地使记录系统和自动演奏系统起作用。在记录模式和再现演奏模式中，记录系统和自动演奏系统按照下述方式进行操作。
当在记录模式中使用者用手指在声学钢琴上弹奏乐曲时，琴键运动被转换成位置数据段，这些位置数据段被进行分析，以便提取出代表所说琴键运动的特征数据段。并把这些特征数据段存储在音乐数据编码中。因此，由记录系统把在声学钢琴上所进行的弹奏记录在一组音乐数据编码中。
当使用者希望重现所说的弹奏时，他/她就命令自动演奏系统访问这组音乐数据编码。自动演奏系统按顺序地读出所说的音乐数据编码，并且对这些音乐数据编码进行分析，以便确定出要被重新执行的琴键运动。一旦完成所说的分析，就向设置在黑色琴键和白色琴键后部下面的由螺线管操作的琴键致动单元提供驱动信号，从而使黑色琴键和白色琴键又按顺序进行运动，就好象弹奏人员用手指在声学钢琴上弹奏一样。因此，在再现演奏模式中，自动演奏系统重新执行原始的弹奏。
由于音乐数据编码是基于代表当前琴键位置的位置数据段来形成的，因此，黑色琴键和白色琴键就需要一些位置变送器(transducer)。在黑色琴键和白色琴键下方设置一组位置变送器，这些位置变送器被称作“琴键传感器”。这些琴键传感器用于把当前琴键位置转换成电信号。因此，这些琴键传感器对于记录系统来说是必不可少的。
琴键运动既不均匀，也不恒定。弹奏人员按压黑色琴键和白色琴键时所用的力量也不同。弹奏人员在朝着端部位置的途中会改变所说的作用力。不同类型的琴键运动会导致不同响度的钢琴音调。由于这个原因，因此，希望自动演奏系统能使黑色琴键和白色琴键再次执行原始的琴键运动。然而，在所说的这组由电磁驱动的琴键致动单元中以及在这组黑色琴键和白色琴键中都不可避免地具有个性特征。即使利用预定大小的驱动信号来向所说的由电磁驱动的致动单元赋能，相应的黑色琴键和白色琴键所作的琴键运动也很少会与原始的琴键运动严格相同。为了使黑色琴键和白色琴键严格地再次执行原始的琴键运动，对于无需采用任何反馈回路的简单控制而言，优选地是采用伺服控制。螺线管操作的琴键致动单元需要一些位置变送器。事实上，高级的自动演奏钢琴具有多组螺线管操作的琴键致动单元，这些螺线管操作的琴键致动单元带有内置的插棒传感器，以便进行反馈控制。然而，这些带有内置插棒传感器的螺线管操作的琴键致动单元是非常昂贵的。由于这个原因，对于标准的自动演奏钢琴而言，螺线管操作的琴键致动单元中省去了这些内置的插棒传感器。
在日本专利申请公开平10-301561中公开了一种典型的带有内置的插棒传感器的螺线管操作的琴键致动单元。现有技术中的这种螺线管操作的琴键致动单元包括一螺线管、一插棒以及一插棒传感器。与标准的螺线管操作的琴键致动件在类似，插棒能从螺线管中突伸出，也能缩回到螺线管内。插棒传感器包括一永久磁条，该永久磁条与插棒同轴固定；一线圈，该线圈被缠绕在所说的永久磁条周围。当螺线管被激励时时，插棒就从螺线管中突伸出来，于是，永久磁条就与插棒一起运动。当永久磁条运动时，在线圈中就会感应出电势。该感应电势取决于插棒的速度，并且该感应电势被通报给控制器。控制器对该感应电势进行分析，然后确定出插棒的速度。
在日本专利No.2890557中公开了一种典型的伺服控制方法。其中，控制器根据音乐数据编码确定出一目标琴键运动，即，要运动的黑色琴键和白色琴键的一系列的目标琴键位置，并且该控制器激励所说螺线管，从而产生所说的目标琴键运动。一反馈传感器把一实际琴键位置转换成一检测信号，并且把该检测信号提供给控制器。控制器对实际琴键运动与目标琴键运动进行比较，并且修改驱动信号，利用所说的驱动信号就能激励所说的螺线管操作的琴键致动单元，通过这种方式，在目标琴键运动和实际琴键运动之间的差别就被减小了。这样，与未采用伺服控制的琴键运动相比，控制器就能使实际琴键运动更接近原始的琴键运动。
在这种现有技术中的伺服控制方法中并未使用在日本专利公开平10-301561中所公开的现有技术的内置传感器。在现有技术的伺服控制方法中所采用的反馈传感器是由一光学传感器和一压电转换器的组合体构成的。光学传感器被设置在一键床上，并且把琴键的倾斜度转换成一检测信号。另一方面，压电转换器被设置在相应的琴键和螺线管操作的琴键致动件的插棒之间，并且该压电转换器把施加在琴键上的推力转换成另一检测信号。这些检测信号被提供给控制器。控制器对所说的倾斜度和推力进行分析，以便确定出实际的琴键运动。因此，在日本专利No.2890557中所公开的反馈传感器是非常复杂的。
然而，尽管在日本专利No.2890557中提到了一种记录系统，但是，在该日本专利说明书中根本未提及记录系统的构造，相应地，也根本未提及该记录系统中采用了何种类型的琴键传感器。换句话说，只是提到了作为反馈传感器一部分的光学传感器。
从再现演奏的保真度方面来考虑，对于没有设置这种伺服控制回路的标准的自动演奏系统而言，这种带有伺服控制回路的自动演奏系统是优选的。然而，伺服控制回路是非常昂贵的，并且还会使自动演奏钢琴的成本变得很高。因此，在再现演奏的保真度和自动演奏钢琴的制造成本之间要有一个平衡。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供这样一种键盘乐器，即，这种键盘乐器带有一个既经济又不会在再现演奏过程中降低保真度的自动演奏系统。
本发明的发明人认真思考了现有技术中的自动演奏钢琴固有的问题，并且注意到在以前的伺服控制回路中设置了大量的反馈传感器，这些反馈传感器通常是八十八组光学传感器/压电转换器。
首先，本发明人曾利用在日本专利申请公开平10-301561中所公开的内置传感器来代替现有技术中的反馈传感器。从而减少了零部件的数目，相应地也就减小了制造成本。然而，在若干种类型的自动演奏钢琴中，不仅要采用自动演奏系统，而且还要采用记录系统。因此，在这些类型的自动演奏钢琴中，自动演奏钢琴还得再需要八十八个琴键传感器，从而使得传感器的总数被加倍了。由于这个原因，使得既具有自动演奏系统又具有记录系统的自动演奏钢琴仍然非常昂贵。
为了进一步降低制造成本，本发明人曾认为能有效抑制制造成本增大的方案是，在自动演奏系统和记录系统之间共享内置的插棒传感器。然而，在再现演奏过程中，插棒的头部会与那些被按下的黑色琴键和白色琴键的后部物理分离开。这是因为插棒的头部的高度通常是不规则的。间隙吸收了这种不规则性。即使插棒被规则成一个特定高度，在记录过程期间这些插棒将会与相应的琴键相连。当在记录模式中使用者按下黑色琴键和白色琴键的前部时，被假定成不与插棒相连接的琴键的后部会被升起到插棒的头部以上，从而使得琴键运动不能被传递到内置的传感器。另一方面，如果插棒的头部与黑色琴键和白色琴键的后部相连接，那么，使用者就地觉得黑色琴键和白色琴键较重，从而这些插棒会影响声学钢琴的独特琴键触觉。因此，在自动演奏系统和记录系统中共享内置的传感器是不可行的方案。
此外，也难以通过反馈控制回路来控制螺线管操作的琴键致动件，其中的反馈控制回路只包含琴键传感器，而不是包括反馈传感器。换句话说，琴键位置信号不能严格地表示插棒的运动。产生这种困难的原因在于在插棒和琴键传感器之间的零部件是可变形的。由于这个原因，在插棒运动和黑色琴键和白色琴键的前部的运动之间会产生一个时间滞后。
为了实现发明目的，本发明提出通过规格化过程，从用于表示运动传导路径的零部件的运动的当前物理量中除去在多个运动传导路径中固有的一种个性特征和在自动演奏系统中固有的另一种个性特征。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于产生音调的自动演奏键盘乐器，包括一键盘乐器，该键盘乐器具有用于产生音调的音调产生子系统；多个运动传导路径，每个运动传导路径都具有朝着音调产生子系统串联连接的多个零部件，这些零部件被按顺序移动，以便为要产生的音调指定音高；一自动演奏系统，该自动演奏系统与多个运动传导路径一起表示出个性特征，并且该自动演奏系统具有多个致动件，这些致动件分别与所说多个运动传导路径相连，并且利用驱动信号来选择性地给这些致动件赋予能量，从而选择性地使相关的运动传导路径发生运动，多个传感器，这些传感器远离所说的多个致动件，并且选择性地把所说的多个运动传导路径的预定零部件的运动转换成代表运动的当前物理量的检测信号，多个反馈控制回路，这些反馈控制回路被连接在多个传感器和多个致动件之间，用于对当前物理量进行规格化，以便从当前物理量中除去所说的个性特征，从而确定出一真实物理量，并且用于根据真实物理量来对驱动信号进行优化，以便控制所说预定零部件的运动；一记录系统，该记录系统与自动演奏系统共享所说的多个传感器，并且对当前物理量进行分析，以便产生代表在键盘乐器上所作演奏的音乐数据段。


通过下面的描述并结合附图就可以更清楚地理解自动演奏的键盘乐器。
图1是一个示意性侧视图，表示出了本发明的自动演奏的键盘乐器的结构；图2是一个方框示意图，表示出了安装在自动演奏钢琴中的一控制器的系统构造；图3是一个方框示意图，表示出了安装在自动演奏钢琴中的反馈控制回路中所采用的算法；图4是一个方框示意图，表示出了安装在另一自动演奏钢琴中的反馈控制回路中所采用的算法；图5是一个方框示意图，表示出了安装在另一自动演奏钢琴中的反馈控制回路中所采用的算法；图6是一个方框示意图，表示出了安装在另一自动演奏钢琴中的反馈控制回路中所采用的算法；图7是一个方框示意图，表示出了安装在另一自动演奏钢琴中的反馈控制回路中所采用的算法；图8是一个方框示意图，表示出了安装在另一自动演奏钢琴中的反馈控制回路中所采用的算法。
具体实施例方式
根据本发明的自动演奏的键盘乐器大体上包括一键盘乐器、一记录系统和一自动演奏系统。弹奏者在这种键盘乐器上弹奏一曲音乐。然后，这种键盘乐器就以给定的音高来产生音调。当弹奏者命令记录系统把演奏记录在键盘乐器上时，记录系统就会产生代表所说弹奏的成段的音乐数据。另一方面，当弹奏者命令自动演奏系统在不用手指在键盘乐器上弹奏的情况下再执行所说的弹奏时，自动演奏系统就对成段的音乐数据进行分析，并使所说的键盘乐器致动，从而使得所说的弹奏被再次执行。下面将对键盘乐器、自动演奏系统以及记录系统进行更详细的描述。
键盘乐器包括一音调产生子系统，用于产生音调；多条运动传导路径，所说多条运动传导路径与音调产生子系统相连接。每条运动传导路径都具有串联连接的零部件，一零部件的运动通过其它零部件被依次传导到音调产生子系统。所说的多条运动传导路径具有一种个性特征，这是由于所说的多条运动传导路径的尺寸大小、被施加到零部件上的设计余量(design margin)和/或构成这些零部件所用的材料是不同的缘故。
假设这种键盘乐器是一种声学钢琴。众多的琴弦组合在一起构成所说的音调产生子系统，一些黑白琴键、一些动作单元以及一些音锤以整体的方式构成所说的多条运动传导路径。如果键盘乐器是一种静音钢琴，那么，众多的琴弦和一电子音调产生系统用作所说的音调产生子系统，一些黑色琴键和白色琴键、一些动作单元以及一些音锤也以整体的方式构成所说的多条运动传导路径。
当弹奏者利用手指在所说的多条运动传导路径上弹奏乐曲时，弹奏者的手指就选择性地在多条运动传导路径中产生运动，这种运动被传导到音调产生子系统，以便确定出要被产生的音调的音高。当这种运动被传导到音调产生子系统时，就以所说的音高来产生音调。
自动演奏系统包括多个致动件、多个传感器、多个反馈控制回路。自动演奏系统具有由所说多个传感器和多个运动传导路径之间的相对位置以及多个传感器的输入-输出特性所决定的另一种个性特征。反馈控制回路的零部件的特性差别可以是所说个性特征的另外一个影响因素。因此，自动演奏系统与运动传导路径一起显示出了个性特征。然而，这些起因，即运动传导路径、传感器等在这种个性特征中的重要程度是不同的。例如，绝大部分的个性特征可以是由于所说的多个传感器导致的。或者是，所说的多个传感器所起的重要性为零。
为多个运动传导路径分别设置多个致动件。当多个致动件被赋予能量时，这些致动件就使相应的运动传导路径进行运动。其中一个零部件的运动通过其它的零部件被传导到音调产生子系统，从而，在无需用手指在键盘乐器上弹奏就能产生音调。
所说的多个传感器远离所说的多个致动件。这就意味着现有技术中的内置反馈传感器不能用作所说的多个传感器。所说的多个传感器对所说的多条运动传导路径的预定的零部件进行监测，并且把当前的用于表达所说预定零部件的运动的物质量转换成检测信号。如果这些运动传导路径的个性特征对预定的零部件的运动有影响，那么，当前的物理量就包含一个误差分量，这是由于所说的个性特征的缘故。正如将要描述的那样，反馈控制回路也具有另外类型的个性特征，并且对驱动信号产生影响。由于输入-输出特性，使得所说的多个传感器可具有另外类型的个性特征。由于这些传感器把预定零部件的运动转换成检测信号，因此，当前的物理量还包含误差分量，这是由于具有其它类型的个性特征的缘故。
所说的多个反馈控制回路分别被连接在多个传感器和多个致动件之间。每个反馈控制回路从相关联的传感器接收检测信号，并且对当前的物理量进行规格化。上面所描述的多种个性特征是自动演奏系统/运动传导路径的个性特征的一部分，从当前的物理量中去除这些个性特征，并且通过所说的规格化来获得真实的物理量。反馈控制回路根据真实的物理量来对驱动信号进行优化，从而，这些致动件就迫使预定的零部件象原始演奏中那样进行运动。
所说的多个传感器在自动演奏系统和记录系统之间被共享。记录系统对当前物理量进行分析，并且产生成段的音乐数据，这些音乐数据代表在键盘乐器上的弹奏。这些成段的音乐数据被存储在非易失存储器内。或者，通过适当的通信缆线把这些成段的音乐数据传送到另外的数据存储器或另外的乐器。
从前面的描述中可以知道，反馈控制回路除去当前物理量中的多种个性特征，从而，即使成段的音乐数据是由不同于用于再现演奏的键盘乐器的另外的键盘乐器所产生的，也能使弹奏以良好的保真度被再执行。
这些传感器在记录系统和自动演奏系统之间被共享。这种自动演奏的键盘乐器无需任何带有内置反馈传感器的致动件。因此，制造成本被降低了，而且不会损失保真度。
第一实施例自动演奏钢琴参照图1，用于实施本发明的一自动演奏钢琴大体上包括一声学钢琴1、一自动演奏系统3、一记录系统5。自动演奏系统3和记录系统5被安装在声学钢琴1中，并且根据操作模式被选择性地运动。当弹奏者在没有任何用于记录和再现演奏的指令的情况下用手指在声学钢琴1上弹奏乐曲时，声学钢琴1就象标准的声学钢琴那样进行操作，并且通过手指的弹奏以规定的音高来产生钢琴音调。
当弹奏者希望把他/她的弹奏记录在声学钢琴上时，弹奏者就给出指令，以便把弹奏记录到记录系统5上，并且使记录系统5被驱动。当弹奏者用手指在声学钢琴上进行弹奏时，记录系统5就产生一些代表在声学钢琴上的手指动作的音乐数据，于是，就用一组音乐数据编码来记录下所说的弹奏。
假设使用者希望把所说的弹奏再现演奏出来。使用者就命令所说的自动演奏系统3再现演奏所说声学音调。于是，自动演奏系统3就在声学钢琴1上弹奏出乐曲，并且在没有弹奏者用手指进行弹奏的情况下使乐曲被再弹奏出来。
在下面的描述中，术语“前方”是指相对于术语“后方”所指的另外位置而言，更靠近坐在凳子上进行弹奏的钢琴弹奏者的位置。在前方位置和相应的后方位置之间所画出的方向被称作“前后方向”，侧向方向垂直于所说的前后方向。
声学钢琴在这个例子中，声学钢琴是一大钢琴。该声学钢琴1包括一键盘70、一些动作单元90、一些制音器92、一些音锤94、一些琴弦96。一键床98构成一钢琴箱的一部分，键盘70被安装在键床98上。键盘70与所说一些动作单元90和一些制音器92相连，钢琴弹奏者通过键盘70选择性地驱动这些致动单元90和制音器92。可通过键盘被选择性驱动的制音器92与相关联的琴弦96间隔开，从而使得这些琴弦准备好以便进行振动。另一方面，这些通过键盘70被选择性驱动的动作单元90使得相关联的音锤94产生自由转动，这些音锤94在转动末端对相连的琴弦96进行敲击。然后，这些琴弦96就发生振动，并且通过这些琴弦96的振动来产生声学音调。这样，键盘70、动作单元90、制音器92、音锤94和琴弦96就象标准的声学钢琴那样进行操作。
键盘70包括多个黑色琴键72、多个白色琴键74、一平衡档80。这些黑色琴键72和白色琴键74以已知的模式被布置，并且利用平衡琴键销82把这些黑色琴键72和白色琴键74可运动地支撑在所说的平衡档80上。
假设弹奏者按下黑色琴键72和白色琴键74的前部。那么，前方部分就朝着键床98下沉，而后部被升起。这种琴键运动可以驱动相连的琴键动作单元90，从而就象前面所描述的那样，使得琴弦96准备好以便进行振动。被驱动的动作单元90驱动相关联的音锤94，使之脱开以自由转动。音锤94在自由转动末端敲击相关联的琴弦96，从而产生声学音调。音锤94从琴弦96上反弹回来，并且又与琴键动作单元90接合。
当弹奏者松开黑色琴键72和白色琴键74时，在动作单元90的自身重力的作用下，使得黑色琴键72和白色琴键74沿着相反的方向转动，从而使得黑色琴键72和白色琴键74返回到休息位置(rest position)。制音器92与相关联的琴弦96相接触，从而使声学音调衰减。琴键动作单元90又返回到休息位置。这样，弹奏者就能引起象跷跷板那样的围绕平衡档80的角向的琴键运动。
自动演奏系统自动演奏系统3包括一组琴键致动件10、一些音锤传感器22、一些琴键传感器27、一软盘驱动器40，该软盘驱动器被简称为“FDD”、一操纵面板42、一控制器100。正如在后面将要结合记录系统5所描述的那样，除了所说的这组琴键致动件10以外，那些零部件与记录系统5共享。在这种情况中，利用螺线管操作的致动单元来实施所说的琴键致动件10。这些琴键致动件10被独立地赋予能量，以便使相关联的黑色琴键72和白色琴键74运动。这就意味着键盘70所需的琴键致动件的数目与黑色琴键72及白色琴键74的数目相等。每个螺线管操作的琴键致动单元10包括一插棒15、螺线管和磁轭的组合构件17。这组螺线管操作的琴键致动单元10从所说的键床98悬垂着，插棒15穿过键床98中的一槽99突伸出到键床98上方。当螺线管操作的琴键致动单元10闲置且没有任何驱动信号时，插棒15收缩在螺线管和磁轭的组合构件17内，插棒15的尖端与位于休息位置的黑色琴键72和白色琴键74的下表面稍微间隔开。当控制器100通过驱动信号对组合构件17赋予能量，会产生磁场，于是，在插棒15上施加磁性作用力。然后，插棒15从组合构件17向上突伸出，并且推动黑色琴键72和白色琴键74的下表面，从而产生所说的角向运动。
图2表示出了控制器100的系统结构。控制器100包括一脉冲宽度调制器(PWM)30、一接口37，在图中该接口37被简称为“I/O”、一中央处理器50，该中央处理器50被简称为“CPU”、一快速可电擦除和可编程的只读存储器(a flash electrically erasable and programmable read only memory)52，该只读存储器52被简称为“FLASH EEPROM”、一随机存取存储器54，其被简称为“RAM”、一总线系统60。这些系统部件30，37，50，52，54与总线系统60相连，地址编码、控制数据编码以及音乐数据编码通过总线系统60被选择性地从特定的一些系统部件传递到其它一些系统部件。音锤传感器22、琴键传感器27和操纵面板42与接口37相连，脉冲宽度调制器30把驱动信号分配给螺线管操作的琴键致动件10。软盘驱动器40还与总线系统60相连，音乐数据编码在总线系统60与软盘驱动器40之间传送。分别为所说的音锤94设置音锤传感器22，也就是说，音锤传感器22的数目与音锤94的数目相等，因此，其数目也与黑色琴键72及白色琴键74的数目相等。音锤传感器22是固定不动的，并且用于对相关联的音锤94进行监测。每个音锤传感器22都包括两个光电耦合器，即，一发光二极管和一光电晶体管的组合。所说的发光二极管沿着开闭板的轨迹被相互间隔开，所说的开闭板安装在相应的音锤94的音锤柄上，并且，所说的发光二极管分别与光电晶体管相对置。因此，两对光电耦合器就利用光束把所说的间隙桥接起来，所说的开闭板通过所说间隙进行移动。其中一个光电耦合器位于所说轨道的端部，在轨道的端部处，由于音锤94在相关联的琴弦96上反弹，从而使开闭板开始返回。因此，利用下游侧的光电耦合器来监测音锤94敲击相应琴弦96的时间。另外一个光电耦合器被设置在上游侧，并且被间隔开一预定距离。当音锤94转动时，开闭板就间歇性地与光束相交。光电晶体管所接收到的光量就迅速地被改变，并且由光电晶体管根据所接收到的光量而产生的数字式音锤位置信号被依次从打开状态变换到关闭状态。时差由控制器100来确定，光电耦合器之间的距离是已知的。于是，由控制器100来计算出音锤速度。音锤速度与对琴弦96的敲击力成正比，敲击力与声学音调的响度成正比。因此，控制器100产生代表声学音调的响度的成段的音乐数据、以及根据音锤位置信号来产生声学音调的时间。
琴键传感器27被设置在键床98上，并且这些琴键传感器分别位于黑色琴键72及白色琴键74的下面。换句话说，琴键传感器27的数目与黑色琴键72及白色琴键74的数目相等。这些琴键传感器27把相应的黑色琴键72及白色琴键74的当前琴键位置转换成琴键位置信号。因此，这些琴键传感器27用作位置变送器。
每个琴键传感器27都包括一开闭板75；一透明板，该透明板被印制有一非透明的灰度；一对光学传感器头77。一发光二极管(图中未示)通过一光纤(图中未示)与其中一个光学传感器头77相连，并且沿侧向辐射出一光束，该光束横穿所说开闭板75的轨迹。另外的光学传感器头77被设置在横穿所说轨迹的另一侧，并且通过一光纤(图中未示)与一光电晶体管(图中未示)相连。所说的光束具有宽的横断面，从而使得开闭板75在相应的琴键72/74向下运动期间能逐渐地遮断所说光束。当黑色琴键72及白色琴键74从休息位置朝着端部位置运动时，照射在光电晶体管上的光量就被逐渐减小，根据所接收到的光量来确定出当前的琴键位置。因此，这些琴键传感器27产生一些琴键位置信号，这些琴键位置信号代表在相应的白色琴键72及黑色琴键74向下运动过程中连续变化的当前琴键位置。
琴键传感器27就成为这种自动演奏系统中固有的另外类型的个性特征的成因。例如，如果透明板被弄脏了，那么，通过该透明板的光量就会被非故意地被减小。当开闭板偏离相应琴键的下表面上的目标位置时，当传感器头偏离键床上的目标位置时，光电晶体管上的光强度就会发生变化。发光二极管和光电晶体管就会不可避免地发生老化变劣。例如，偏压就会随着时间而变化。从一适当的电源向发光二极管和光电晶体管提供电力。所说的电源不能完全防止电压发生不期望的可能波动。这些是其它类型的个性特征的另外一些影响因素。当然，那些因素并不是同等重要的。有些因素可以被忽略，而另外的因素则是很重要的。
在再现演奏和记录两个过程中，琴键传感器27都产生琴键位置信号。当控制器100正在起作用以便对弹奏进行记录时，黑色琴键72及白色琴键74就被弹奏人员选择性地按下和松开，这种独特的琴键运动被转换成连续变化的当前琴键位置。模拟式琴键位置信号被转换成数字式琴键位置信号，所说的数字式琴键位置信号也是通过模-数转换器以二进制值连续变化。另一方面，当控制器100正在起作用以便进行再现演奏时，这些琴键传感器27用作反馈传感器，控制器100检查这些琴键位置信号，以便查看琴键致动件10是否产生目标琴键运动。如果实际琴键运动不同于目标琴键运动，那么，驱动信号就被修改，以便使得实际琴键运动与目标琴键运动相一致。
琴键位置信号和音锤位置信号到达接口37。接口37对音锤位置信号和琴键位置信号的波形进行适当地整形，然后，利用模-数转换器(见图3)把音锤位置信号和琴键位置信号转换成数字式音锤位置信号和数字式琴键位置信号。接口37还与软盘驱动器40相连，音乐数据编码通过接口37传送至软盘驱动器40或者从中传出。在记录过程中，利用软盘驱动器40把一组代表在键盘70上所作的弹奏的音乐数据编码写入到软盘44内，并且在再现演奏过程中通过软盘驱动器40从所说软盘44中读出。
操纵面板42还与接口37相连。在所说的操纵面板42上设置有多个按钮开关、一显示窗和一些指示器。其中一个按钮开关用于使控制器100被供电。使用者通过其它按钮开关向控制器100发出各种指令，并通过另外按钮开关来选择要被弹奏的乐曲。当使用者希望对他/她的弹奏进行记录时，使用者就通过操纵面板42命令控制器100进入记录模式。当使用者希望再执行弹奏时，使用者就通过操纵面板42命令控制器进入到再现演奏模式。因此，操纵面板42是一个人机界面。
在再现演奏过程中，脉冲宽度调制器30用作琴键致动件10的驱动器。插棒15的推力随着驱动信号而改变。在这种情况中，脉冲宽度调制器30改变驱动信号的占空比(duty ratio)，以便改变插棒15的推力。当发现实际琴键运动迟到时，该脉冲宽度调制器30就增大驱动信号的占空比。另一方面，如果黑色琴键72及白色琴键74事先运动时，该脉冲宽度调制器30就减小所说的占空比，从而使得插棒15减速。
在这种情况中，中央处理器50、脉冲宽度调制器30、琴键致动件10、琴键传感器27以及接口37形成一反馈控制回路64，黑色琴键72及白色琴键74被插入到该反馈控制回路64内。
一个主例行程序、一些子例行程序以及一些参数表被存储在快速可电擦除和可编程的存储器54内，所说的随机存取存储器54用作中央处理器50的一工作存储器。中央处理器50根据主例行程序运行，所说的主例行程序选择性地分支到一些子例行程序。后面将要描述在再现演奏模式中所产生的操作。
记录系统和在记录模式中的操作记录系统5包括一些琴键传感器27、一些音锤传感器22、软盘驱动器40、操纵面板42、控制器100。因此，记录系统5与再现演奏系统3共享这些系统部件22，27，40，42，100。
当使用者通过操纵面板42命令控制器100对他/她的弹奏进行记录时，中央处理器50就开始根据主例行程序运行，并且周期性地进入子例行程序，以便对弹奏进行记录。中央处理器50启动一内部时钟，以便测量流逝的时间。
在子例行程序中，中央处理器50获取那些代表当前音锤位置的成段的音乐数据以及代表当前琴键位置的成段的音乐数据，并且把这些成段的音乐数据收集在随机存取存储器54内。随后，中央处理器50就比较当前琴键位置与先前琴键位置，以便判断使用者是否按下或松开其中任何一个黑色琴键72及白色琴键74。
如果中央处理器50发现使用者按下了所说黑色键盘72及白色琴键74中的一个琴键，那么，中央处理器50就认定发生了琴键打开事件，并且出被按下的琴键72/74。在琴键打开事件之后，与音锤94相连的开闭板就与下游光电耦合器的光束相交。中央处理器50计算出音锤速度，并确定出从弹奏开始或先前事件到音符打开事件(note-on event)所经过的时间。中央处理器50产生一音符打开事件编码和一持续时间编码，并把代表赋予被按下的琴键的琴键编码的成段的音乐数据、音锤速度和持续时间以音符打开事件编码和持续时间编码的方式存储起来。音符打开事件编码和时间消逝编码是一些不同类型的音乐数据编码。音符打开事件编码伴随着持续时间编码。
另一方面，如果中央处理器50注意到使用者把按下的琴键松开，那么，中央处理器50就确定出该被松开的琴键72/74，并且确定出声学音调要被衰减的时刻。这一时刻大约等于制音器92与振动琴弦96相接触的时刻。中央处理器50确定出从先前事件起所经过的时间以及声学音调要被衰减的时刻。中央处理器产生音符关闭事件编码和持续时间编码，并把代表琴键编码和流逝时间编码的音乐数据存储在音符关闭事件编码和持续时间编码中。音符关闭事件编码是另外类型的音乐数据编码，并且伴随着持续时间编码。在下文中，术语“事件编码”既代表音符打开事件编码，也代表音符关闭事件编码。
虽然在图中未表示出，但是，自动演奏钢琴还包括制音器、柔音和持续音踏板以及相关联的踏板传感器，中央处理器50也把那些代表当前踏板位置的成段音乐数据收集在随机存取存储器54内。当中央处理器50确认出使用者踩踏所说的踏板时，该中央处理器就产生一个代表效果的音乐数据编码。
当使用者利用手指在键盘70上弹奏乐曲时，中央处理器50就周期性地进入子例行程序，并且返回到主例行程序，从而间歇性地产生一些音乐数据编码，并且把这些音乐数据编码存储在随机存取存储器54内。一旦弹奏结束，使用者就可以命令中央处理器50传送这组代表弹奏的音乐数据编码。如果是这样的话，中央处理器50就将这组音乐数据从随机存取存储器54传送到软盘驱动器40，并且被储存在软盘44内。
在再现演奏模式中的系统操作假设使用者命令中央处理器50根据这说的这组音乐数据编码来再进行演奏。中央处理器50就命令软盘驱动器40把这组音乐数据编码传送给随机存取存储器54。一旦完从软盘44到随机存取存储器54的数据传送，中央处理器50就启动内部时钟。中央处理器50周围期地进入另外的用于进行再现演奏音乐的子例行程序，并且一旦子例行程序结束就返回到主例行程序。
当中央处理器50进入子例行程序时，中央处理器50就对持续时间编码和内部时钟进行比较，以便确定是否要处理一个或一些事件编码。如果中央处理器50未发现表示与内部时钟流逝时间相等的流逝时间的持续时间编码，那么，中央处理器50就立即返回到主例行程序，然后再次进入子例行程序，等待变为肯定性的答复。
当中央处理器50发现这样一个持续时间编码时，即该持续时间编码表示流逝时间等于内部时钟的流逝时间，这时，中央处理器50就开始为由事件编码所规定的黑色琴键72及白色琴键74确定出一条参考轨迹。在日本专利申请公开平-301561中公开了一种用于确定这种参考轨迹的方法。在时刻“t”时在参考轨迹上的目标位置由以下方程来表示，
rx＝f(vm)*t+rx0 方程1其中，vm是琴键72/74匀速运动(uniform motion)的速度，f(vm)是在目标位置rx处的变化率，*是乘法符号，rx0是初始值。变化率f(vm)由一个指数函数来表示，并且可从一表中计算出或读出。
接下来，中央处理器50确定出占空比的初始值，并向脉冲宽度调制器30提供代表该初始值的控制数据段。然后，脉冲宽度调制器30以给定的占空比来给出驱动信号，并且把驱动信号提供给琴键致动件10的螺线管17，以便使黑色琴键72及白色琴键74运动。通过螺线管和磁轭的组合构件17来产生磁场，从而插棒15开始突伸出。
插棒15使得相关联的黑色琴键72及白色琴键74进行转动，从而使得开闭板75被向下运动。相关联的琴键传感器27把当前琴键位置转换成琴键位置信号，并且该琴键位置信号被输送到接口37，以便进行反馈控制。
模拟式琴键位置信号被转换成数字式琴键位置信号，并且由中央处理器50来获得这些位置数据段，即，数字式琴键位置信号的二进制值。
中央处理器50从由数字式琴键位置信号所表示的琴键位置中除去误差分量。然后，琴键位置被规格化，从而就确定出实际琴键位置。中央处理器50把目标位置与实际琴键位置进行比较，以便判断插棒15是否要被加速或减速。当目标位置和实际琴键位置之间的差别可以忽略时，中央处理器50就命令脉冲宽度调制器30把占空比保持为先前的值。然而，如果这个差别超过了允许范围，那么，中央处理器50就向脉冲宽度调制器30提供代表另一个占空比值的控制数据段。然后，脉冲宽度调制器30把占空比改变为该新的值，以便增大或减小推力。中央处理器50计算出参考轨迹上的下一个目标位置，并且等待实际琴键位置。
通过反馈控制回路64来重复这个算法，并且迫使插棒15沿着参考轨迹运动。这样，就可以精确地再现出原始的琴键运动，从而能高保真度地再次执行弹奏。
图3表示出了在反馈控制回路64中所采用的算法。中央处理器50通过根据子例行程序的执行，从而实现由方框201，203，204，216所表示的功能。
假设插棒15已经开始突伸出，琴键传感器27把当前琴键位置“yxa”转换成琴键位置信号，并且把当前琴键位置信号传送给接口37。通过方框216把当前琴键位置规格化为真实琴键位置“yx”。在下文中将要对这种规格化进行详细描述。
中央处理器50获取表示真实琴键位置“yx”的规格化的位置数据段，并且从已经被计算出目标位置“rx”中减去真实琴键位置“yx”，如圆圈203所表示。如方框204所示，差值“ex”乘以位置增益“kx”。乘积“ux”表示平均驱动电流的增加量或减小量，即，脉冲宽度调制器30将驱动信号所调节到的占空比的目标值的增加量或减小量。表示目标占空比的增加量/减小量“ux”的控制数据段被提供给脉冲宽度调制器30，脉冲调制器30把驱动信号调节至目标占空比。
磁场强度根据目标占空比变化，并且作用在插棒15上的推力也是变化的。这就导致插棒15被减速、加速或保持原来的速度。尽管施加在相关联的黑色琴键72及白色琴键74的作用力是变化的，但琴键运动并不是立即跟随。在推力改变和琴键运动改变之间产生一个时间滞后，该时间滞后取决于键盘70的个性特征以及相关联的琴键传感器27的个性特征。由于这个原因，即使琴键传感器27精确地把当前琴键位置“yxa”转换成模拟式琴键位置信号，当前插棒位置的改变也不会被精确地转换成当前琴键位置“yxa”。模拟式琴键位置信号被转换成数字式琴键位置信号，并且当前琴键位置“yxa”由二进制值“yxd”表示。
中央处理器50从接口37获取位置数据段或二进制数值“yxd”，并且对当前琴键位置进行规格化，如方框216所示。在规格化过程中使用方程2。
yx＝R*yxd+S方程2其中，yx是规格化了的琴键位置，R是在方框204处用于增益的校准系数，*是乘法符号，S是琴键传感器27的安装误差的校准系数。
被规格化了的琴键位置yx被表示如下yx＝{(yxd-YXDr)/(YXDe-YXDr)}*STR 方程2a其中，YXDr是在休息位置的数字式琴键位置信号的二进制值，YXDe是在端部位置的数字式琴键位置信号的二进制值，STR是琴键的冲程。校准系数R和S被表示如下R＝STR/(YXDe-YXDr) 方程2bS＝(-YXDR*STR)/(YXDe-YXDr) 方程2c
乘以校准系数R就可以有效地克服由于下列原因所造成的误差，这些原因有(1)由于例如透明板被弄脏而导致光量的变化；(2)施加于发光二极管的电位(potential)的变化；(3)运动传导路径的零部件的制造误差的变化，这种变化的影响会导致冲程STR存在差别；(4)琴键传感器的偏离安装。
另一个校准系数S能克服由于下列原因所造成的误差，这些原因有(1)电压的波动，(2)开闭板75的偏离安装。
对于每个黑色琴键72和白色琴键74，以实验方式来确定出这些校准系数R和S，这些实验值被存储在快速可电擦除和可编程的只读存储器52内。
中央处理器50从随机存取存储器54中读出一些控制数据段，例如，变化率f(vm)和初始位置rx0，并且计算出下一个目标位置“rx”，如图中方框201所示。因此，中央处理器50周期性地检查真实目标位置“rx”，判断所说的占空比即作用在插棒15上的推力是否正确，以通过上述反馈控制回路64迫使插棒在参考轨迹上运动。结果是，脉冲宽度调制器30始终能把驱动信号调节到最佳的占空比。
中央处理器50依次对事件编码进行处理，并且沿着音乐通道为黑色琴键72及白色琴键74确定出参考轨迹。相关联的琴键致动件10通过反馈控制回路64被控制，并且，从而使黑色琴键72及白色琴键74类似于原始演奏那样进行运动。因此，通过这种自动演奏系统3就能使原始演奏被再次执行。
尽管琴键传感器27在记录系统5和自动演奏系统3之间被共享，但是，自动演奏系统3通过规格化能精确地控制琴键运动。反馈控制回路64无需任何内置的反馈传感器。在这种自动演奏系统3中可以采用标准的螺线管操作的琴键致动件。由于这个原因，自动演奏系统3以及相应的自动演奏键盘乐器的制造成本就被降低，而且不会牺牲再现演奏的保真度。
第二实施例图4表示出了在实施本发明的另一种自动演奏键盘乐器中的反馈控制回路64A中所采用的算法。这种自动演奏键盘乐器也包括一声学钢琴、一记录系统、一自动演奏系统3A。该声学钢琴类似于声学钢琴1。第二个实施例中的琴键传感器采用速度传感器28，因此，子例行程序和反馈控制回路64A与自动演奏系统3及记录系统5中的子例行程序和反馈控制回路稍有区别。对于本领域普通技术人员来说，子例行程序的区别是很显然的，因此，在此不再进行描述。在这种情况中，速度传感器28是非接触式的，即，这些类型的速度传感器不与黑色琴键72及白色琴键74物理接触。在下文中，将着重描述反馈控制回路64A。自动演奏系统3A的零部件的附图标记采用自动演奏系统3对应的系统零部件的附图标记。
中央处理器50、脉冲宽度调制器30、琴键致动件10、键盘70、速度传感器28和接口37构成反馈控制回路64A。速度传感器28把琴键速度转换成琴键速度信号，这些琴键速度信号代表当前琴键速度“yva”，并且这些琴键速度信号被提供给接口37。模拟式琴键速度信号通过接口37中的模-数转换器被转换成数字式琴键速度信号。中央处理器50通过子例行程序的执行来实现由方框205，206，208，220所表示的功能。下面将描述方框205，206，208，220的功能。
假设插棒15已经开始突伸出，速度传感器28就确定出一当前琴键速度“yva”，并且向接口37提供一模拟式琴键速度信号。该模拟式琴键速度信号被转换成数字式琴键速度信号，该数字式琴键速度信号代表二进制编码“yvd”，它的二进制数字等于模拟式琴键速度信号的值。速度数据段，即二进制编码“yvd”被中央处理器50获取，并且如方框220所示，把速度数据段“yvd”规格化成真实琴键速度“yv”。下面将详细描述这种规格化。
中央处理器50获取代表真实琴键速度的被规格化了的速度数据段“yv”，并且如圆圈206所示从已经计算出的目标琴键速度“rv”中减去真实琴键速度“yv”。通过微分计算来确定出目标琴键速度“rv”，即rv＝d(rx)/dt＝f(vm)方程3其中，rx是目标位置(见方程1)。如方框208所示，差值“ev”乘以速度增益“kv”。乘积“uv”表示平均驱动电流的增加量或减小量，即，脉冲宽度调制器30把驱动信号所调节到的占空比的目标值的增加量或减小量。这些表示目标占空比的增加量/减小量“uv”的控制数据段被提供给脉冲宽度调制器30，脉冲调制器30把驱动信号调节至目标占空比。
磁场强度根据目标占空比变化，并且作用在插棒15上的推力也是变化的。这就导致插棒15被减速、加速或保持原来的速度。尽管施加在相关联的黑色琴键72及白色琴键74的作用力是变化的，但琴键运动并不是立即跟随。在推力改变和琴键运动改变之间产生一个时间滞后，该时间滞后取决于键盘70的个性特征以及相关联的速度传感器28的个性特征。由于这个原因，即使速度传感器28精确地把当前琴键速度“yva”转换成模拟式琴键速度信号，当前插棒速度的改变也不会被精确地转换成当前琴键速度“yva”。模拟式琴键速度信号被转换成数字式琴键速度信号，并且当前琴键速度“yva”由二进制编码“yvd”表示。
中央处理器50从接口37获取速度数据段或二进制值“yvd”，并且对当前琴键速度进行规格化，如方框216所示。在规格化过程中使用方程4。
yv＝P*yvd+Q 方程4其中，yv是规格化了的琴键速度或真实琴键速度，P是增益的校准系数，*是乘法符号，Q是琴键速度传感器28的安装误差等所导致的偏离的校准系数。与校准系数P相乘可以将结合校准系数R所描述的误差补偿给当前琴键速度yvd，当前琴键速度yxd还被偿了结合校准系数S所描述的误差。为每个黑色琴键72和白色琴键74以实验方式确定出这些校准系数P和Q，这些实验值被存储在快速可电擦除和可编程的只读存储器52内。
中央处理器50读出这些控制数据，并对目标位置rx进行微分计算。换句话说，中央处理器50如方框205所示来计算出下一个目标速度“rv”。因此，中央处理器50周期性地检查真实琴键速度，以查看占空比即施加在插棒15上的推力是否能正确地使插棒15在参考轨迹上运动。由于这个原因，脉冲宽度调制器30始终能把驱动信号调节到最佳的占空比。
中央处理器50依次对事件编码进行处理，并且沿着音乐通道为黑色琴键72及白色琴键74确定出参考轨迹。相关联的琴键致动件10通过反馈控制回路64A被控制，从而使黑色琴键72及白色琴键74类似于原始演奏那样进行运动。因此，通过这种自动演奏系统3A就能使原始演奏被再次执行。
尽管速度传感器28在记录系统5和自动演奏系统3A之间被共享，但是，自动演奏系统3A通过规格化能精确地控制琴键运动。反馈控制回路64A无需任何内置的反馈传感器。在这种自动演奏系统3A中可以采用标准的螺线管操作的琴键致动件。由于这个原因，自动演奏系统3A以及相应的自动演奏键盘乐器的制造成本就被降低，而且不会牺牲再现演奏的保真度。
第三实施例图5表示出了在实施本发明的另外一种自动演奏键盘乐器中的反馈控制回路64B中所采用的算法。这种自动演奏键盘乐器也包括一声学钢琴、一记录系统、一自动演奏系统3B。该声学钢琴和记录系统类似于声学钢琴1和记录系统5，并且在记录系统和自动演奏系统3B中采用位置变送器27。然而，用于再现演奏模式的子例行程序和反馈控制回路64B与自动演奏系统3中的子例行程序和反馈控制回路不同。由于这个原因，因此在下文中将着重描述反馈控制回路64B。自动演奏系统3B的零部件的附图标记采用自动演奏系统3对应的系统零部件的附图标记，在此不再进行详细描述。
中央处理器50、脉冲宽度调制器30、琴键致动件10、键盘70、位置变送器27和接口37构成反馈控制回路64B。位置变送器27把当前琴键位置“yxa”转换成模拟式琴键位置信号，这些模拟式琴键位置信号被输送到接口37。中央处理器50通过子例行程序的执行来实现由方框202，203，204，206，208，210，216，218所表示的功能。在这种情况中，根据真实琴键位置来计算出真实琴键速度yv，并且把真实琴键位置和真实琴键速度分别与目标琴键位置和目标琴键速度进行比较，以便确定出目标占空比的增加量和减小量。在圆圈203和方框204处所表示的功能与第一实施例中的相同，圆圈206和方框208处所表示的功能与第二实施例中的相同。因此，反馈回路64B是反馈回路64和反馈回路64A的组合。下面将描述在方框202，203，204，206，208，210，216，218处的功能。
假设插棒15已经开始突伸出，位置变送器27确定出当前琴键位置“yxa”，并且向接口37提供一模拟式琴键位置信号。该模拟式琴键位置信号被转换成数字式琴键位置信号，该数字式琴键位置信号代表二进制编码“yxd”，它的二进制数字等于模拟式琴键位置信号的值。位置数据段，即二进制编码“yxd”被中央处理器50获取，并且利用方框216，把速度数据“yxd”规格化成真实琴键位置“yx”。这种规格化与第一实施例中的规格化是相同的。然而，当设计者为增益确定校准系数时，他/她就会考虑在方框204和208处的放大。
中央处理器50获取代表真实琴键位置的被规格化了的位置数据段“yx”，并且按照下列方程通过对真实琴键位置“yx”进行微分来计算出琴键真实速度“yv”。
yv＝(yx0-yx1)/T[毫米/秒] 方程5
其中，yx0是当前的真实琴键位置，yx1是先前的真实琴键位置。
中央处理器50从已经被计算出的目标琴键位置“rx”和目标琴键速度“rv”中减去真实琴键位置“yx”和真实琴键速度“yv”，如图中圆圈203，206所示。通过方程1和方程3分别计算出目标琴键位置“rx”和目标琴键速度“rv”。
如方框204和208所示，差值“ex”和“ev”分别乘以增益“kx”和“kv”。乘积“ux”和“uv”表示平均驱动电流的增加量/减小量，即，占空比的目标值从不同方面的的增加量/减小量。这些表示占空比的目标值的增加量/减小量“ux”和“uv”的控制数据段被提供给加法器210，并且被相加。加和“u”代表脉冲宽度调制器30被调节到的占空比的目标值的增加量或者减小量。并把该加和“u”提供给脉冲宽度调制器30，脉冲宽度调制器30把驱动信号调节至该目标占空比。
磁场强度根据目标占空比变化，并且作用在插棒15上的推力也是变化的。这就导致插棒15被减速、加速或保持速度不变。尽管施加在相关联的黑色琴键72及白色琴键74的作用力是变化的，但琴键运动并不是立即跟随。在推力改变和琴键运动改变之间产生一个时间滞后，该时间滞后取决于键盘70的个性特征以及相关联的琴键传感器27的个性特征。由于这个原因，即使位置变送器27精确地把当前琴键位置“yxa”转换成模拟式琴键位置信号，当前插棒位置的改变也不会被精确地转换成当前的琴键位置“yxa”。模拟式琴键位置信号被转换成数字式琴键位置信号，并且当前琴键位置“yxa”由二进制编码“yxd”表示。
中央处理器50从接口37获取位置数据段或二进制值“yxd”，并且对当前琴键位置进行规格化，如方框216所示。这里的规格化类似于方程2所表示的规格化。通过微分(见方程5)来计算出真实琴键速度“yv”。因此，中央处理器50就准备出真实琴键位置“yx”和真实琴键速度“yv”。
中央处理器50读出这些控制数据段，并且如方框202所示计算出下一个目标位置“rx”和下一个目标速度“rv”。计算出差值“ex”和“ev”，最后，象前面所描述的那样确定出目标占空比。因此，中央处理器50通过上述反馈控制回路64B周期性地检查真实琴键位置“yx”和真实琴键速度“yv”，以查看占空比，即施加在插棒15上的推力是否能正确地使插棒15在参考轨迹上运动。由于这个原因，脉冲宽度调制器30始终能把驱动信号调节到最佳的占空比。
中央处理器50依次对事件编码进行处理，并且沿着音乐通道为黑色琴键72及白色琴键74确定出参考轨迹。相关联的琴键致动件10通过反馈控制回路64B被控制，从而使黑色琴键72及白色琴键74类似于原始演奏那样进行运动。因此，通过这种自动演奏系统3B就能使原始演奏被再次执行。
尽管位置变送器27在记录系统5和自动演奏系统3B之间被共享，但是，自动演奏系统3B通过规格化能精确地控制琴键运动。反馈控制回路64B无需任何内置的反馈传感器。在这种自动演奏系统3B中可以采用标准的螺线管操作的琴键致动件10。由于这个原因，自动演奏系统3B以及相应的自动演奏键盘乐器的制造成本就被降低，而且不会牺牲再现演奏的保真度。
在这种情况下，反馈回路64B通过差值“ex”和“ev”控制驱动信号的占空比。由此脉冲宽度调制器30能更精确地控制插棒的运动。
第四实施例图6表示出了在实施本发明的另一种自动演奏键盘乐器中的反馈控制回路64C中所采用的算法。这种自动演奏键盘乐器也包括一声学钢琴、一记录系统、一自动演奏系统3C。该声学钢琴和记录系统类似于第二实施例中的自动演奏键盘乐器中的声学钢琴和记录系统，并且在记录系统和自动演奏系统3C中采用速度传感器28。然而，用于再现演奏模式的子例行程序和反馈控制回路64C与自动演奏系统3A中的子例行程序和反馈控制回路不同。由于这个原因，因此在下文中将着重描述反馈控制回路64C。自动演奏系统3C的零部件的附图标记采用自动演奏系统3对应的系统零部件的附图标记，在此不再进行详细描述。
中央处理器50、脉冲宽度调制器30、琴键致动件10、键盘70、速度传感器28和接口37构成反馈控制回路64C。速度传感器28把当前琴键速度“yva”转换成模拟式琴键速度信号，这些模拟式琴键速度信号被输送到接口37。中央处理器50通过子例行程序的执行来实现由方框202，203，204，206，208，210，220，222所表示的功能。在这种情况中，根据真实琴键速度“yv”来计算出真实琴键位置“yx”，并且把真实琴键位置“yx”和真实琴键速度“yv”分别与目标琴键位置和目标琴键速度进行比较，以便确定出目标占空比。在圆圈203和方框204处所表示的功能与第一实施例中的相同，圆圈206和方框208处所表示的功能与第二实施例中的相同。因此，反馈回路64C是反馈回路64和反馈回路64A的组合。下面将描述在方框202，203，204，206，208，210，220，222处的功能。
假设插棒15已经开始突伸出，速度传感器28确定出当前琴键速度“yva”，并且向接口37提供一模拟式琴键速度信号。该模拟式琴键速度信号被转换成数字式琴键速度信号，该数字式琴键速度信号代表二进制编码“yvd”，它的二进制数字等于模拟式琴键速度信号的值。速度数据段，即二进制编码“yvd”被中央处理器50获取，并且如方框220所示，把速度数据段“yvd”规格化成真实琴键速度“yv”。这种规格化与第二实施例中的规格化是相同的。然而，当设计者确定校准系数时，他/她就会考虑在方框204和208处的放大。
中央处理器50获取代表真实琴键速度的被规格化了的速度数据“yv”，并且按照下列方程通过对真实琴键速度“yv”进行积分来计算出真实琴键位置“yx”。
yx＝yx1+yv0*T[毫米] 方程6其中，yx1是先前的真实琴键位置，yv0是当前的真实琴键速度。T是从yx1起所流逝的时间，*是乘法符号。所说的流逝时间可以等于取样时间间隔。
中央处理器50从已经被计算出的目标琴键位置“rx”和目标琴键速度“rv”中减去真实琴键位置“yx”和真实琴键速度“yv”，如图中圆圈203，206所示。通过方程1和方程3分别计算出目标琴键位置“rx”和目标琴键速度“rv”。
如方框204和208所示，差值“ex”和“ev”分别乘以增益“kx”和“kv”。乘积“ux”和“uv”表示平均驱动电流的增加量或减小量，即，占空比的目标值从不同方面的的增加量或减小量。这些表示占空比的目标值的增加量/减小量“ux”和“uv”的控制数据段被提供给加法器210，并且被相加。加和“u”表示脉冲宽度调制器30所要调到的占空比目标值的增加量或减小量。把这个加和“u”提供给脉冲宽度调制器30，该脉冲宽度调制器30把驱动信号调节到目标占空比。
磁场强度根据目标占空比变化，并且作用在插棒15上的推力也是变化的。这就导致插棒15被减速、加速或保持速度不变。尽管施加在相关联的黑色琴键72及白色琴键74的作用力是变化的，但琴键运动并不是立即跟随。在推力改变和琴键运动改变之间产生一个时间滞后，该时间滞后取决于键盘70的个性特征以及相关联的琴键传感器27的个性特征。由于这个原因，即使速度传感器28精确地把当前琴键速度“yva”转换成模拟式琴键位置信号，当前插棒位置的改变也不会被精确地转换成当前的琴键速度“yva”。模拟式琴键速度信号被转换成数字式琴键速度信号，并且当前琴键速度“yva”由二进制编码“yvd”表示。
中央处理器50从接口37获取速度数据或二进制值“yvd”，并如方框216所示对当前琴键速度进行规格化。这里的规格化类似于方程4所表示的规格化。通过积分(见方程5)来计算出真实琴键位置“yx”。因此，中央处理器50就准备出真实琴键位置“yx”和真实琴键速度“yv”。
中央处理器50读出这些控制数据，并且由方框202所示计算出下一个目标位置“rx”和下一个目标速度“rv”。计算出差值“ex”和“ev”，最后，象前面所描述的那样确定出目标占空比。因此，中央处理器50通过上述反馈控制回路64C周期性地检查真实琴键速度“yv”和真实琴键位置“yx”，看占空比，即施加在插棒15上的推力是否能正确地使插棒15在参考轨迹上运动。由于这个原因，脉冲宽度调制器30始终能把驱动信号调节到最佳的占空比。
中央处理器50依次对事件编码进行处理，并且沿着音乐通道为黑色琴键72及白色琴键74确定出参考轨迹。相关联的琴键致动件10通过反馈控制回路64C被控制，从而使黑色琴键72及白色琴键74类似于原始演奏那样进行运动。因此，通过这种自动演奏系统3C就能使原始演奏被再次执行。
尽管速度传感器28在记录系统和自动演奏系统3C之间被共享，但是，自动演奏系统3C通过规格化能精确地控制琴键运动。反馈控制回路64C无需任何内置的反馈传感器。在这种自动演奏系统3C中可以采用标准的螺线管操作的琴键致动件10。由于这个原因，自动演奏系统3C以及相应的自动演奏键盘乐器的制造成本就被降低，而且不会牺牲再现演奏的保真度。
在这个例子中，反馈控制回路64C通过差值“ex”和“ev”来控制驱动信号的占空比。由于这个原因，脉冲宽度调制器30能更精确地控制插棒的运动。
第五实施例图7表示出了在实施本发明的另外一种自动演奏键盘乐器中的反馈控制回路64D中所采用的算法。这种自动演奏键盘乐器也包括一声学钢琴、一记录系统、一自动演奏系统3D。该声学钢琴和记录系统类似于声学钢琴1和记录系统5，并且在记录系统和自动演奏系统3B中采用位置变送器27。然而，用于再现演奏模式的子例行程序和反馈控制回路64D与自动演奏系统3中的子例行程序和反馈控制回路不同。由于这个原因，因此在下文中将着重描述反馈控制回路64D。自动演奏系统3D的零部件的附图标记采用自动演奏系统3对应的系统零部件的附图标记，在此不再进行详细描述。
中央处理器50、脉冲宽度调制器30、琴键致动件10、键盘70、位置变送器27和接口37构成反馈控制回路64D。位置变送器27把琴键位置“yxa”转换成模拟式琴键位置信号，这些模拟式琴键位置信号被输送到接口37。通过这个接口37把模拟式位置信号转换成数字式琴键位置信号。
中央处理器50通过子例行程序的执行来实现由方框232，203，204，206，208，210，216，218，234所表示的功能。在这种情况中，把图7与图5作比较，我们可以发现，第三实施例和第五实施例的区别在于方框232，234。从方框232不仅输出目标位置“rx”和目标速度“rv”，而且还输出偏压“ru”。目标位置“rx”和目标速度“rv”与图5中所示的相同。所说的偏压“ru”表示被提供到琴键致动件10的偏电压。为什么琴键致动件10需要偏电压，其原因是为了对驱动电流作出迅速响应。假设驱动信号从零上升。由于各种阻力例如琴键72/74的重力以及复位弹簧的弹力被作用在插棒15上，因此，插棒15并不立即从螺线管和磁轭的组合构件中突伸出。当磁力超过总阻力时，插棒15就开始突伸出。所说的偏电压使螺线管和磁轭的组合构件施加临界磁力，该临界磁力等于作用在插棒15上的总阻力。脉冲宽度调制器30始终把偏电压施加到螺线管和磁轭的组合构件17上。当脉冲宽度调制器30产生所说的驱动信号时，插棒15立即从螺线管和磁轭的组合构件17中突伸出。因此，利用这个偏压“ru”，使得琴键致动件10的敏捷性被提高了。
在这个例子中，尽管所说的偏压“ru”是变化的，但是，从方框232输出的是一个恒定不变的偏压“ru”，并且，加法器234把这个偏压“ru”加到“ux”和“uv”的和上。然而，在其它方框和圆圈处的功能与图5中的相同。由于这个原因，为了避免重复，在此不再描述反馈控制回路64D的操作。
第六实施例图8表示出了在实施本发明的另一种自动演奏键盘乐器中的反馈控制回路64E中所采用的算法。这种自动演奏键盘乐器也包括一声学钢琴、一记录系统、一自动演奏系统3E。该声学钢琴和记录系统类似于第二实施例中的自动演奏键盘乐器中的声学钢琴和记录系统，并且在记录系统和自动演奏系统3E中采用速度传感器28。然而，用于再现演奏模式的子例行程序和反馈控制回路64E与第二实施例中的声学演奏系统中的子例行程序和反馈控制回路不同。由于这个原因，因此在下文中将着重描述反馈控制回路64E。这种自动演奏系统3E的零部件的附图标记采用自动演奏系统3对应的系统零部件的附图标记，在此不再进行详细描述。
中央处理器50、脉冲宽度调制器30、琴键致动件10、键盘70、速度传感器28和接口37构成反馈控制回路64E。速度传感器28把当前琴键速度“yva”转换成模拟式琴键速度信号，这些模拟式琴键速度信号被输送到接口37。这些模拟式琴键速度信号通过接口37被转换成数字式琴键速度信号。
中央处理器50通过子例行程序的执行来实现由方框202，203，204，206，208，220，222，240，242，244所表示的功能。把图8与图6进行比较，我们发现第四实施例与第六实施例的区域在于方框240，242以及圆圈244。如方框240所示通过微分并根据真实琴键速度来计算出真实加速度“ya”，并且该真实加速度“ya”如方框242所示利用增益“ka”被放大。所得的乘积“ua”代表加速度，并且把该乘积提供给加法器244。加法器244把增加量/减小量“ux”加到增加量/减小量“uv”上，然后从所说的加和中减去这个加速度“ua”，即，u＝ux+uv-ua。这样，利用加速度“ua”来对增加量/减小量“ux”+“uv”进行修正。经修正的增加量/减小量“u”被提供给脉冲宽度调制器30，该脉冲宽度调制器30把驱动信号调节至目标占空比。当设计者为增益确定校准系数时，他/她就要考虑在方框204，208，242处的放大。其它的功能与第四实施例中的功能相同，为了简明起见，在此不再对其进行描述。
这种利用加速度“ua”进行的修正对于在第四实施例中将驱动信号调节至占空比是有利的。例如当加速度很大时，增加量/减小量“ux+uv”就被减小。这就能防止插棒15以及相应的琴键72/74在参考轨迹上过度上冲。
从前面的描述中可以知道，在记录系统3和自动演奏系统3/3A/3B/3C/3E之间都共用远程传感器27/28，由于这个原因，在自动演奏系统3/3A/3B/3C/3E中都采用标准的琴键致动件10。对于自动演奏系统3/3A/3B/3C/3E来说无需任何带有内置反馈传感器的琴键。这样就减小了制造成本，并且不会损害在再现演奏模式中的再执行弹奏时的保真度。
尽管前面已经图示和描述了本发明的一些具体的实施例，但是，本领域普通技术人员都知道，可以对本发明作出各种改变和变型，这些均未脱离本发明的构思和范围。
本发明的技术范围并不局限于大钢琴。自动演奏钢琴可以在直立钢琴的基础上进行制造。大钢琴可以由其它类型的键盘乐器来代替，例如用静音式钢琴、大键琴或管风琴来代替。静音式钢琴是声学钢琴、音锤止动器和电子音调产生系统的组合。音锤止动器在自由位置与阻挡位置之间变换。当音锤止动器位于自由位置时，音锤在自由转动的末端敲击琴弦，通过这些琴弦的振动来产生声学钢琴音调。当音锤被变换到阻挡位置时，音锤止动器就进入到音锤的轨道。尽管这些音锤被驱动得能自由转动，但是这些音锤在自由转动末端之前就从音锤止动器上被反弹回来，从而不会产生任何声学钢琴音调。电子音调产生系统对被使用者选择性按下和松开的琴键进行监测，并且以电子方式产生音调，这些音调的音高等于指定给被按下的琴键的音高。
本发明的技术范围也并不局限于采用位置变送器27和速度传感器28。可以采用其它类型的传感器，例如加速度传感器或压力传感器来代替这些位置变送器27或速度传感器28，只要监测到的物理量能表达琴键运动即可。
其运动被转换成物理量的运动物体也决不局限于黑色琴键和白色琴键72/74。音锤位置变送器22或音锤速度传感器可以被设置在反馈回路64/64A/64B/64C/64D/64E中。这些传感器可以监测任何零部件，例如被设置在黑色琴键和白色琴键72/74与动作单元90之间的绞盘螺钉(capstanscrew)、或者动作单元90的一些零部件。在这种情况中，偏离的校准系数是以这样的方式来确定的，即，消除从琴键72/74到被监测部分的变形以及安装误差。
本发明的技术范围并不局限于采用目标位置和目标速度的组合。中央处理器可以确定出在参考轨迹上的目标加速度。例如，与方框202相对应的一方框可以一起输出目标加速度和目标位置、目标速度和/或目标作用力。
本发明的技术范围也并不局限于采用软盘驱动器40。其它类型的存储器，例如光盘可擦写存储器(CD-RW)、硬盘驱动器、记忆棒的驱动器以及半导体存储器的驱动器可以用于本发明的自动演奏键盘乐器。此外，控制器100可以通过一公共通信网络或私有通信网络与服务器计算机相通信。在这种情况中，音乐数据编码被存储在服务器计算机内，并且根据需要被分配给自动演奏键盘乐器和其它的电子乐器。
本发明的技术范围并不局限于采用螺线管操作的琴键致动件单元10。在本发发明的自动演奏键盘乐器中也可以采用气动致动单元或马达驱动的致动系统。
音锤传感器22可以从记录系统中除去。在这种情况中，根据多个系列的当前琴键位置来估算音锤敲击琴弦96的时刻。因此，音锤传感器22并不是记录系统5中的必不可少的元件。
本发明的技术范围并不局限于采用发光二极管和光电晶体管。琴键传感器和/或音锤传感器也可采用一块永久磁铁和一个磁性传感器。
本发明的技术范围并不局限于采用快速可电擦除和可编程的只读存储器52。可以把一个只读存储器或一个磁泡存储器用于控制器100，并且计算机程序和控制数据段可以被存储在硬盘中。或者采用其它的方式，计算机程序和控制数据段可以通过公共/私有通信网络来提供。在这种情况中，快速可电擦除和可编程的只读存储器52被从控制器100中除去。
权利要求中的用语与上面所描述的实施例中的零部件按下述方式相互对应。黑色琴键和白色琴键72/74、动作单元90和音锤94在整体上构成多条运动传导路径。琴弦96以组合的方式构成音调产生子系统。黑色琴键和白色琴键72/74用作预定的零部件。
所说的这些琴键致动件10用作多个致动件。位置变送器27和速度传感器28对就应于多个传感器。反馈控制回路64/64A/64B/64C/64D/64E用作多个反馈控制回路。中央处理器50在方框216或220执行规格化过程，并且与脉冲宽度调制器30相配合，在方框201/203/204，205/206/208，202/203/204/206/208/210/218，202/203/204/206/208/210/222，232/203/204/206/208/210/218/234或202/203/204/206/208/222/240/242/244对驱动信号进行优化。
权利要求
1.一种用于产生音调的自动演奏键盘乐器，包括键盘乐器(1)，该键盘乐器(1)包括音调产生子系统(96)，用于产生所说的音调；多个运动传导路径，每个运动传导路径都具有朝着所说音调产生子系统(96)串联连接的多个零部件(72/74，90，94)，这些零部件被按顺序移动，以便为要产生的音调指定音高；自动演奏系统(3)，用于与所述多个运动传导路径一起显示个性特征，并且包括多个致动件(10)，这些致动件分别与所说的多个运动传导路径相联系，并且利用驱动信号选择性地给这些致动件赋予能量，从而选择性地使相关的运动传导路径进行运动；多个传感器(27；28)，这些传感器远离所说的多个致动件(10)，并且这些传感器分别把所说多个运动传导路径的预定零部件(72/74)的运动转换成检测信号，这些检测信号代表描述所说运动的当前物理量；多个反馈控制回路(64；64A；64B；64C；64D；64E)，这些反馈控制回路被连接在所说的多个传感器(27；28)和所说的多个致动件(10)之间，用于对所说驱动信号进行优化；以及记录系统(5)，该记录系统与所说的自动演奏系统(3)共享所说的多个传感器(27；28)，并且该记录系统对所说的当前物理量进行分析，以便产生成段的音乐数据，这些音乐数据代表在所说键盘乐器(1)上的演奏，其特征在于所说的多个传感器(27；28)供所说的记录系统(5)分享；并且，所说的多个反馈控制回路(64；64A；64B；64C；64D；64E)使所说的当前物理量规格化，以便从所说的当前物理量中去除所说的个性特征，从而确定出真实物理量；并且，所说的多个反馈控制回路(64；64A；64B；64C；64D；64E)基于所说的真实物理量对所说的驱动信号进行优化，以便控制所说预定的零部件(72/74)的运动。
2.根据权利要求1所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的多个反馈控制回路(64；64A；64B；64C；64D；64E)分别将所说真实物理量的多个系列的值与基于成段的音乐数据确定出的用于表示所说预定零部件(72，74)的参考轨迹的目标物理量的多个系列的值进行比较，以便查看所说预定零部件(72，74)是否在所说参考轨迹上运动，并且当所说预定零部件(72，74)偏离所说参考轨迹时，改变所说驱动信号的大小以便进行优化。
3.根据权利要求2所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的真实物理量和所说的目标物理量代表位置、速度、加速度中的至少一个。
4.根据权利要求2所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的真实物理量和所说的目标物理量代表位置、速度、加速度中的一个以上。
5.根据权利要求2所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的真实物理量和所说的目标物理量代表位置和速度，所说多个反馈控制回路(64E)计算出所说预定零部件(72，74)的真实加速度，并且使所说驱动信号偏移真实加速度的值。
6.根据权利要求1所述的自动演奏键盘乐器，其中，每个所说的反馈控制回路(64D)使所说驱信号中的一个相关驱动信号偏移一个值，这个值等于所说多个致动件(10)中的一个相关致动件的运动阻力。
7.根据权利要求1所述的自动演奏键盘乐器，其中，每个所说的多条运动传导路径包括琴键(72，74)，该琴键在其中间部分处被可转动地支撑，从而当弹奏人员按下该琴键的前部时，弹奏人员就可以使所说琴键(72，74)发生角向运动，动作单元(90)，该动作单元(90)被设置在所说琴键(72，74)上方，并且该动作单元与所说琴键的后部相连，以便被按下的琴键能使得所说动作单元(90)发生另一种类型的运动，音锤(94)，该音锤与所说的动作单元(90)相连，以便所说的动作单元(90)可以使所说音锤(94)发生转动。
8.根据权利要求7所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的琴键(72，74)用作所说的预定零部件，从而所说多个传感器(27/28)中的一个相关传感器把用于表达所说角向运动的所说当前物理量转换成检测信号。
9.根据权利要求7所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的多个致动件(10)使琴键(72，74)分别发生所说的角向运动，所说的这些琴键分别被设置在所说多个运动传导路径(64；64A；64B；64C；64D；64E)中。
10.根据权利要求9所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的琴键(72，74)具有制造误差，这些制造误差是造成所说个性特征的原因。
11.根据权利要求9所述的自动演奏键盘乐器，其中，每个所说的检测信号都代表相关琴键(72，74)的一当前琴键位置，从而，所说的角向运动可由所说当前琴键位置的一系列值来表示。
12.根据权利要求11所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的多个反馈控制回路(64)确定分别由目标琴键位置的多个系列的值所表达的参考轨迹，并且将通过规格化并在所说当前琴键位置的多个系列的值的基础上所确定出的真实琴键位置的多个系列的值与所说目标琴键位置的所说多个系列的值进行比较，以便查看所说的琴键(72，74)是否分别在所说的参考轨迹上运动，并且当所说琴键(72，74)偏离所说参考轨迹时改变所说驱动信号的大小。
13.根据权利要求12所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的多个反馈控制回路(64B)还确定出在所说参考轨迹上的目标琴键速度的多个系列的值以及在所说真实琴键位置的所说多个系列的值处的真实琴键速度的多个系列的值，并且把所说的真实琴键位置的所说多个系列的值和所说真实琴键速度的所说多个系列的值分别与所说目标琴键位置的所说多个系列的值和所说目标琴键速度的所说多个系列的值进行比较，以便查看所说琴键(72，74)是否分别在所说参考轨迹上运动，并且当所说琴键偏离所说参考轨迹时改变所说驱动信号的大小。
14.根据权利要求9所述的自动演奏键盘乐器，其中，每个所说检测信号都代表相关琴键(72，74)的当前琴键速度，从而，所说的角向运动可由所说当前琴键速度的一系列值来表示。
15.根据权利要求14所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的多个反馈控制回路(64A)确定出分别由目标琴键速度的多个系列的值所表示的参考轨迹，并且将通过规格化并在所说当前琴键速度的多个系列的值的基础上所确定出的真实琴键速度的多个系列的值与所说目标琴键速度的所说多个系列的值进行比较，以便查看所说的琴键(72，74)是否分别在所说的参考轨迹上运动，并且当所说这些琴键(72，74)偏离所说参考轨迹时改变所说驱动信号的大小。
16.根据权利要求15所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的多个反馈控制回路(64C)还确定出在所说参考轨迹上的目标琴键位置的多个系列的值以及真实琴键位置的多个系列的值，所说真实琴键速度的所说多个系列的值是在所述真实琴键位置处确定出的，并且把所说的真实琴键位置的所说多个系列的值和所说真实琴键速度的所说多个系列的值分别与所说目标琴键位置的所说多个系列的值和所说目标琴键速度的所说多个系列的值进行比较，以便查看所说琴键(72，74)是否分别在所说参考轨迹上运动，并且当所说琴键偏离所说参考轨迹时改变所说驱动信号的大小。
17.根据权利要求1所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的多个传感器(27；28)是非接触型的。
18.根据权利要求17所述的自动演奏键盘乐器，其中，所说的多个传感器(27；28)具有误差，所说误差是造成所说个性特征的原因。
全文摘要
一种自动演奏钢琴，由于尺寸大小、零部件的设计余量的差别以及系统零部件的电子特性的差别，而有多种个性特征，从而使得琴键位置信号包含有由个性特征造成的误差成分；在琴键传感器(27)和琴键致动件(10)之间有多个反馈控制回路(64)，通过规格化从当前琴键位置中消除误差成分；即使通过与记录时不同的自动演奏钢琴来再次执行原始演奏，反馈控制回路(64)也会使琴键致动件(10)迫使琴键(70)沿着根据音乐数据编码确定出的参考轨迹运动，制造商可使琴键传感器(27)在记录系统(5)和自动演奏系统(3)之间被共享。
文档编号G10H3/06GK1542731SQ20041003122
公开日2004年11月3日 申请日期2004年3月26日 优先权日2003年3月27日
发明者藤原佑二 申请人:雅马哈株式会社