主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此，只需完成主軸調速及正反轉功能。但當要求機床有螺紋加工、準停和恒線速加工等功能時，對主軸也提出了相應的位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒轉矩段 及恒功率段，有準停控制，主軸與進給聯動。與進給伺服 一樣，主軸伺服經歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動。隨著微處理器技術和大功率晶體管技術的進展，現在又進入了交流主軸伺服系統的時代。
一、交流異步伺服系統
交流異步伺服通過在三相異步電動機的定子繞組中產生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產生的旋轉磁場與電動機轉子所產生的感應電流相互作用，產生電磁轉矩，從而實現電動機的旋轉。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調的勵磁電流與等效轉子力矩電流的矢量和;正弦電流的頻率可分解為轉子轉速與轉差之和，以實現矢量化控制。
交流異步伺服通常有模擬式、數字式兩種方式。與模擬式相比，數字式伺服加速特性近似直線，時間短，且可提高主軸定位控制時系統的剛性和精度，操作方便，是機床主軸驅動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題：一是轉子發熱，效率較低，轉矩密度較小，體積較大;二是功率因數較低，因此，要獲得較寬的恒功率調速范圍，要求較大的逆變器容量。
二、交流同步伺服系統
近年來，隨著高能低價永磁體的開發和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調速電動機的交流同步伺服系統的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問題帶來了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動機轉子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機床環境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉矩運行，特別適合強力切削加工。同時其轉矩密度高，轉動慣量小，動態響應特性好，特別適合高生產率運行。較容易達到很高的調速比，允許同一機床主軸具有多種加工能力，既可以加工像鋁一樣的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，為機床進行最優切削創造了條件。
三、電主軸
電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，它將主 軸電動機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現了主軸系統的一體化、“零傳動”。因此，其具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態特性好等優點，并可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應用。
從理論上講，電主軸為一臺高速電動機，其既可使用異步交流感應電動機，也可使用永磁同步電動機。電主軸的驅動一般使用矢量控制的變頻技術，通常內置一脈沖編碼器，來實現廂位控制及與進給的準確配合。由于電主軸的工作轉速極高，對其散熱、動平衡、潤滑等提出了特殊的要求。在應用中必須妥善解決，才能確保電主軸高速運轉和精密加工。
