<Harma>

an automated reed organ Godfried-Willem RAES 2000/2005

• English comments
• Midi implementation
• Tech Specs
• Repertoire
• Maintenance manual
• Nederlandstalige versie
• Archival page with the original year 2000 version

Technical Description

A computer controlled acoustic harmonium (reed organ) with touch control and individual registration. The starting point for this construction was an old Hamilton suction reed organ, of which we only kept the reeds and the key springs. Based on the serial number on the soundboard (48211), the original instrument must date from 1905. A new electric compressor was added (a small Laukhuff Ventola, rated for 50 mm H2O pressure and 1000 l/m). Since this compressor was pretty noisy in operation we designed a special silencer around it. Also, we modified the wiring to let it work on 3-phase current, leading to a somewhat more silent operation.

To control the individual reeds we used Laukhuff pallet electromagnets, rated 12 V / 160 mA each, as shown on the picture below, taken in an early phase through the building of this automate.:

As usual in our instrument designs, we designed a welded frame for the entire magnet and electromechanical assembly. Since there is no keyboard we could lower the force required to push the pallets from the original value of 2.45 to 2.94 Newton to about 1.2 Newton. Since the magnets are wider then the distance between keys/pallets , we had to mount them on alternating rows. The types we used are 20mm wide. The two registers are each divided in a bass and a discant unit. So we provided also control for these 4 registers. This was implemented using solenoids with variable voltage , such that gradual changes ('expression') becomes very well possible.

As a little extra we added a real cast bronze bell, mapped on midi note 90, as well as a few lights to the mechanism

The note range of the instrument is 29 to 89 expressed in midi notes. The finished instrument has following dimensions: depth 320 mm, width 920 mm, height 1000 mm. The weight is ca. 50 kg.

The electronic control of this instrument was originally (2000) based on a multiplexed parallel bus, steered by our own GMT software, but in december 2005 we modified the whole circuitry such as to make a laptop to control this robot obsolete. Thus, since 2005 <Harma> is controlled by no less than 8 PIC microcontrollers. Of course the instrument can play standard midi files. <Harma> was designed from the beginning with velocity control, based on precise timing control of an initial pulse to activate the note solenoids. The effect of velocity control or touch sensitivity is of course by far less effective than it is on our player piano. The speed wherewith the valves open in a reed organ being generaly much faster than the rather slow build up of a sound from the reeds. However, any touch sensitivity a reed organ played by a human might have, is also implemented and at least surpassed in this robot. The electronic principle, displayed for a single note, is shown in the circuit below:

[comment on these circuits, first developed for our player piano can be found at/kursus/2116.html.]

In 2015 after quite deceptive experiences with the way lazy composers handle the volume implementation on this robot, we decided to build-in an 'intelligent' wind control mechanism. So now, if no notes are playing it is impossible to set the blower to full force. The blower will adapt its speed depending on user decided volume (controller #7) as well as on required wind in function of the note-on commands effectively received. The mechanism also takes into account the fact that low pitches demand up to sixteen times more wind than the highest notes.
More circuit details can be found in the service manual at the very end of this page.

Design and construction:

• dr.Godfried-Willem Raes

Collaborators:

• Kristof Lauwers, GMT coding
• Xavier Verhelst, file preparation
• Johannes Taelman , pic revision 2005. Later PIC coding and intelligent motor control by Godfried-Willem Raes.

Nederlands

'Harma'

Tessituur: 29 (Fa) - 89 (Fa) [ 5 oktaven ]

Hiervoor werd uitgegaan van een oud Hollands harmonium (gebouwd in Terneuzen begin 20e eeuw (Firma Camphens) , maar voorzien van een mechanisme, balg en rieten van James Baillie Hamilton (Massachusetts,USA). Het serienummer op de klankkast -48211- laat ons toe het instrument precies te dateren: 1905). Het instrument is voorzien van twee onafhankelijke reeksen doorslaande tongen en werkt met zuiglucht, zoals het gros van de Amerikaanse 'reed organs'. De balgen en windlade waren in een dermate wormstekige staat dat we ze helemaal verwijderden. Voor de windvoorziening gebruikten we een Laukhuff Ventola zuigblazer. (1000 l/minuut, bij 50mm H2O druk). Daar dienden we wel een goede geluidsdemper voor te ontwerpen want geruisloos zijn deze Ventola blazers bepaald niet... Deze module werd voltooid in de maand juni van 2001. In december 2005 werd de hele elektronische besturing gemoderniseerd en werd de oorspronkelijk nodige besturingskomputer, een laptop, vervangen door niet minder dan 8 PIC controllers. Bij die gelegenheid werd ook de motor herbedraad voor werking op driefazenstroom en besturing door een Siemens Micromaster motor-controller.

De kracht nodig om een toets in te drukken in het originele harmonium varieerde tussen 2.45 en 2.94 Newton. (250gF tot 300gF in oude gewichtseenheden). De veren die de paletten dichthouden werden in deze kracht tot zowat de helft teruggebracht. Daardoor konden we met orgelventielmagneten van de firma Laukhuff (12V/ 160mA) net uitkomen voor een volledige aansturing. De terugkeerveren werden van deze magneetventielen verwijderd. De terugkeerkracht wordt hier opgebracht door de naaldveren die de paletten dichthouden binnenin de windlade.

Hartafstand tussen de bedieningspallen voor de rieten was 13.54mm, waardoor we de magneten om en om (in twee rijen) dienden te monteren. Wanneer we de bedieningsmagneten om en om monteren, mogen ze hooguit 27mm breed zijn. De gebruikte types zijn 20mm breed. Voor deze montage bouwden we twee lijsten uit vierkant staalprofiel 16x16. Hierop werden de elektromagneten met parkerschroeven vastgezet en uitgelijnd.

De registers zijn telkens gedeeld in bas- en diskant. Voor de automatisering daarvan gebruikten we aanvankelijk vier stappenmotoren, maar dit werd later -omwille van de snelheid- vervangen door een mechanisme met sterke elektromagneten (15 Newton). Voor de 'expressie' -oorspronkelijk met een eenvoudige cylindrische afschermkap uitgevoerd, hadden we in een eerder ontwerp twee stappenmotoren ingezet. In de nieuwe versie evenwel bleek deze funktie veel beter te kunnen worden geimplementeerd via een soepele sturing van de winddruk via de kompressor motor.

Voor de elektronische besturing gebruikten we ons eigen ontwerp voor muziek automaten, meer in het bijzonder, de schakelingen ontwikkeld voor onze player piano. Daardoor kon ook aanslaggevoeligheid worden geimplementeerd. Hoogst ongebruikelijk voor een harmonium. <Harma> kan rechtstreeks via midi worden aangestuurd. Ook de winddruk is heel nauwkeurig regelbaar, waardoor crescendos perfekt mogelijk zijn.

Ook bij Harma, zoals bij <Piperola> en <Vox Humanola> voorzagen we in een kleine spielerei als toevoeging: in dit geval een bronzen klok (F#, midi noot 90) die als slagwerk eveneens via de software kan worden bespeeld.

Komponisten die voor Harma willen schrijven moet er terdege mee rekening houden dat de winddruk geregeld moet worden in funktie van de gewenste dynamiek enerzijds, maar ook in funktie van het luchtverbruik. We wijzen er in dit verband op, dat het luchtverbruik voor lage tonen heel wat groter is dan voor de hoge. De meest voorkomende fout in midi bestanden, bestaat erin de druk bij aanvang van de track of partij in te stellen op een vaste waarde. Hierdoor echter wordt druk opgebouwd zonder rekening te houden met het al dat niet spelen van tonen. Dit leidt niet alleen tot volkomen overbodig lawaai van de motor, maar ook vaak tot lekken in de toonkancellen. De goede metode bestaat erin, na het inbrengen van de muzikale partij, de windkontroller instellingen voor de gehele track te bepalen in funktie van de notentekst en de gewenste expressie. Omdat deze behandeling van de robot door de komponisten die we met het orkest lieten werken zo goed als nooit overeenkwam met onze specifikaties (noch overigens, met de wijze waarop een musicus een harmonium zou bespelen...) , wijzigden we de motorbesturing in 2015 door beroep te doen op een extra microprocessor waarmee de winddruk nu geregeld wordt in funktie van de gewenste volume-setting enerzijds, maar ook van het effektieve luchtverbruik anderzijds. Kompatibiliteit met vroegere stukken voor de robot kon worden opgelost door de introduktie van een nieuwe controller.

The <Harma> robot can be heard on the Logos Public Domain CD <Automaton> (LPD007). It is also a part of the <M&M> robot orchestra and as such in can be heard on Logos Public Domain CD <M&M> (LPD008) and LPD013. We also recorded a full CD with J.S.Bach's Goldberg Variations, interpreted by Harma. Available on request from the Logos Foundation.

In 2004/2005 two CD's in the same LPD series appeared: LPD013 (Machine Orchestra) and LPD014, (Robody) each featuring pieces wherein Harma plays an important role.

In 2009 we started the construction of a more elaborate reed organ: <HarmO>, a robot with 9 registers, two shutters and tuned to 440 Hz. This project was finished in 2010.

Intelligent motor controll was added in 2015.

Repertoire:

(Terug) naar logos-projekten: projects.html Back to logos projects

Terug naar Logos' index-pagina :index.html back to main index

Naar Godfried-Willem Raes personal homepage... back to Godfried's page

Manual to the M&M robot orchestra for composers

Naar katalogus instrumenten gebouwd door Godfried-Willem Raes back to catalogue of instruments by Godfried-Willem Raes

Service manual & detailed circuit and maintenance documentation

Following information and documentation is not intended for the general public.

Circuit boards overview:

All solenoids have a common positive voltage connection. The second wires come together in Weidmueller 6-pole connectors (one for each set) to the note/velo boards. To get access to the reeds and the springs, first disconnect all these connectors. Next, remove the U-shaped stainless steel protectors. Then loosen the bolts joining upper and lower part of the instrument. The solenoid assembly can be lifted up vertically from the soundboard containing the reeds. Always keep components in a horizontal position!

The positive voltage can be adjusted on the power supply (Sitop) printed circuit board with the multiturn trimmer. The voltage should be adjusted such that when no velocity pulses are applied, the solenoids develop just enough force to push the pallets down and hold them down. Initially we found 16V to be a suitable setting. The negative voltage (the second Sitop power supply) should be adjusted between 20V and 48Volts. Initially we had it set to 23V. Changing this voltage will change the velocity scaling of the instrument.

The circuitry of the midi input board and the PIC with the motor control board worked out like this:

The rewiring and final connections of the motor to the midi input board is documented below:

The PCB looks like:

The firmware for the PIC microcontroller can be downloaded here.

Motor: August Laukhuff, Mini Ventola, order nr. 6 121 50. 70Watt, 2800 rpm, 1000l/min, 50 mmH2O.

Wiring details and required modifications:

Programming information and settings for the Siemens Micromaster 410 motor controller:

With the above settings following mapping of midi volume values versus motor frequency and musical dynamic is obtained: [measurements 2005, we should perform a new series of measurements with the newly programmed parameters in 2015].

Note that when no notes are being played, wind pressure should always be reduced to the smallest practical value. Also, required wind pressure is a function of the number of notes playing as well as of their pitch, since lower reeds require a lot more wind than the high ones.

Technical revisions and maintenance notes:

• 01.06.2000: start of construction works. Playing result ready in 2001.
• 15.08.2002: protective cap constructed.
  05.10.2003: leaking pad on note 57 repaired. Holding springs readjusted.
• 26.07.2004: new driver written in g_nih.dll / g_noh.dll
• 18.10.2004: new PIC board design and production ready.
• 09.12.2004: start design for addition of red LED spotlights.
• 10.12.2004: Red LED spotlights fully functional (midi mapping: notes 94,95). GMT driver software upgraded. 3 6V-30mA bulbs added, connected in series and mapped on midi note 93
• 12.03.2005: start redesign driver boards. Now considering to use our pulse/hold PIC boards. Rebuilding Harma would require 7 such boards. The highest board steering but one single harma note, 1 bit for the bell, 8 bits remaining for lights.
• 12.07.2005: start construction of new electronic chassis. Webpage updated and old page moved to archive.
• 13.07.2005: mounting of baseplate and chassisparts
• 14.07.2005: painting of baseplate.
• 15.07.2005: Wiring of power supply lines on all boards.
• 20.07.2005: Wiring boards finished.
• 06.08.2005: Power supplies mounted. (Siemens Sitop)
• 02.10.2005: Failure of Laukhuff Mini Ventola Blower.
• 25.11.2005: Tests with Siemens MicroMaster 410 motor controller on the Mini Ventola, rewired for 3-phase operation.
• 30.11.2005: PWM circuit implemented for motor control on midi input board. Circuit board and schematic adapted accordingly.
• 01.12.2005: complete rewiring of Harma with the new PIC controlled circuitry.
• 02.12.2005: all PIC's programmed for Harma.
• 03.12.2005: note 41 bug was due to bad solder connection on the 4k7 resistor for the negative power mosfet. 10k resistor added over analog voltage input on motor controlller.. Windchest opened: guide pins fixed and secured. Spring tension readjusted. Motor controller reprogrammed.
• 04.12.2005: GMT software adapted. Testing on files with player. Goldberg variations rechecked. Plays much better now.
• 16.12.2005: Lily made operational to play Harma files on the road. Beethovens Waldsteinsonate even works now!
• 17.12.2005: Upperpart fixed to trolley with stainless steel M6 bolts. <Harma> op buurtfeest Sluizeken Ham.
• 18.12.2005: Picra implementation written for Harma. To be premiered on 22.12.2005 by Marian De Schryver.
• 06.05.2006: Paradiso code in Technofaustus rechecked: on/off controller missing.
• 25.04.2007: Harma presented at the Jauna Muzika festival in Vilnius.
• 14.07.2007: Harma presented at the M&M marathon on the Ghent Feasts.
• 31.08.2008: Default setting for wind pressure in GMT lowered. Composers seem to be persistent in their refusal to control wind pressure the way it ought to be done.
• 20.04.2013: <Harma> survived the trip to Glasgow very well! We expect it back in Ghent on monday 22nd of april.
• 23.04.2013: Harma came back safely from Glasgow. No failures.
• 12.04.2014: Some adjustment of the motor controller may be required as failures on windpressure changes occur all too often. Also, the RC time of the 10uF/10k combination is only 100ms. So it might be a solution to replace the 10uF with 100uF, such that we can an RC time of 1 second here.
• 19.02.2015: As the troubles with the motor controller appear to be persistent, we decided to design a new PIC microcontroller board, just for the motor functions. We will also have a throw at writing a more 'intelligent' kind of motor control, taking into account the number of notes playing as well as the registers pulled.
• 20-22.02.2015: Further work and measurements with the new intelligent motor control. Here is a link to the firmware for the motor control PIC processor. Siemens Motorcontroller reprogrammed. Everything seems to work well again now. There is still place for improvements in the wind control algorithm in the PIC firmware.
• 23.02.2015: Tests with some 12 unmodified files containing Harma parts passed without problems.
• 25.02.2015: Firmware for motor controller extended.
• 30.11.2018: Documentation on Ventola 3-phase wiring completed.

Last update: 2018-11-30 by Godfried-Willem Raes