Ich denk mal dein Urproblem ist eigentlich nicht die Schaltung oder die Motoren selbst, sondern eher deine Batterien die vermutlich einen zu hohen Innenwiderstand haben.
Eine mögliche Verbesserung wäre eventuell den Spannungsregler auf der Controllerplatine gegen ein Low Drop Exemplar auszutauschen, das auch noch mit 5,4V Eingangsspannung saubere 5V rausgibt, oder den Controller gleich mit 3,3V laufen zu lassen, wenn das vom Rest der Schaltung her möglich ist.
Das mit den Elkos ist auch ein vielversprechender Ansatz. Alle eingebauten Elkos müssen dabei parallel zu den Akkus liegen.
Da aber auch bei hochgelaufenen Motoren die Spannung nicht unerheblich einbricht ist das auch nicht besonders Vielversprechend.
Wenn die Spannung bei einer Stromentnahme von 1A für 1s nur um 1V einbrechen darf, wäre ein Kondensator von 1F also 1000000µF notwendig.
Das ist aber schon mal ein fetter Elko. Die Gold Cap Kondensatoren hätten solche Kapazitäten, haben aber wieder einen zu hohen Innenwiderstand.
Ich denk mal der bessere Weg wäre Akkus mit geringerem Innenwiderstand zu nehmen ( Blei, LiPo, LiFePo4, NiMH ) - Warum geht das eigentlich nicht? - NiMH Akkus gibts auch in den Bauformen wie normale Batterien, nur die Spannung ist etwas kleiner.