La señal de vibración del monitoreo de condiciones de maquinaria rotativa bajo velocidad variable en el tiempo suele estar modulada en amplitud (AM) y modulada en frecuencia (FM). Es importante estimar de manera eficiente y precisa la frecuencia instantánea (IF) de la señal de vibración. En este documento, se propone un nuevo método de estimación de IF parametrizado. El método emplea una función polinómica de alto orden para aproximar la IF no lineal y, posteriormente, construye sistemas sobredeterminados de ecuaciones lineales al calcular la transformada de Fourier de la derivada de la señal. La IF se puede estimar utilizando la estimación de mínimos cuadrados para resolver las ecuaciones. El método propuesto tiene una alta eficiencia computacional porque puede obtener la estimación de IF durante un período de tiempo simultáneamente; se diferencia de los métodos tradicionales de análisis tiempo-frecuencia que necesitan calcular la IF en cada punto del eje temporal. Se demuestra que el método propuesto no solo es particularmente potente para la señal mono-componente FM no lineal, sino también aplicable a la señal multi-componente construida por múltiples armónicos. La simulación numérica valida la efectividad del método propuesto, y los resultados del experimento muestran que el método es adecuado para la estimación de IF de la señal de vibración del sistema de rotor de velocidad variable.