从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统无本质的区别，但因为数控机床高速、高效、高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点：
1)调速范围宽。采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。
2)直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。
3)主轴电动机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界发散。此外，为了使电动机发热最小，定子往往采用独特附加磁极，以减小损耗，提高效率。
4)直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。
5)主轴控制性能好。为了便于与数控系统的配合，主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、“准备好”输出、速度/转矩显示输出等信号接口。
6)纯电气主轴定向准停控制功能。由于换刀、精密镗孔、螺纹加工等需要，数控机床的主轴应具有定向准停控制功能，而且应由电气控制系统自动实现，以进一步缩短定位时间，提高机床效率。数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图如图7-1所示。
由图可见，主轴驱动系统类似于直流进给伺服系统，它也是由速度环和电流环构成的双环速度控制系统，通过控制直流主轴电动机的电枢电压实现变速。控制系统的主回路一般采用晶闸管反并联可逆整流电路。系统的工作原理可参阅直流进给伺服系统部分，在此不再赘述。
图7-1的上半部分为励磁控制回路，由于主轴电动机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大，因此，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立，并由单独的可调直流电源供电。
图中，磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至比例一积分调节器，调节器的输出经过电压/相位转换器，控制晶闸管触发脉冲的相位，调节励磁绕组的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调速。
主轴定向准停控制的作用是将主轴准确停在某一固定的角度上，以进行换刀等动作。主轴定向准停的位置检测，可以利用装在主轴上的位置编码器或磁性传感器进行，通过位置闭环，使主轴准确定位在规定的位置上。
图7-2为主轴定向准停控制示意图，当采用位置编码器作为位置检测器件时，为了控制主轴位置，主轴与编码器之间必须是1∶1传动或将编码器直接安装在主轴轴端。当采用磁性传感器作为位置检测器件时，磁性器件应直接安装在主轴上，而磁性传感头则应固定在主轴箱体上。
采用编码器的方式与使用磁性传感器的方式相比，具有定位点在0~360º范围内灵活可调，定位精度高，定位速度快等优点，而且还可以作为主轴同步进给的位置检测器件，因此其使用较广。
